Untitled - RCL-Portal

KurzfassungSeit ca. 1970 halten Computer und seit ca. 1990 Multimedia Einzug in die Physiklehre. Ein wachsenderUmfang rein softwarebasierter digitaler Medien wie z. B. Simulationen oder interaktive Bildschirmexperimenteunterstützen seither die Theoriebildung oder erlauben die Durchführung von als Videokonservierten Experimenten. Die Entwicklung des Internet und von Internet-Technologien ermöglichteseit ca. 1994 mit hardwarebasierten Remotely Controlled Laboratories (RCLs) sowohl die Fernsteuerungvon als auch Fernmessungen an Realexperimenten in Echtzeit. Der Nutzer kann über einenBrowser orts- und weitgehend zeitunabhängig auf Realexperimente zugreifen.Didaktisch relevant ist diese technische Entwicklung aus drei Gründen: Das Realexperiment ist einessentieller Bestandteil der Schul- und Hochschulausbildung in den Natur- und Ingenieurwissenschaften.Die Bedeutung der Fernlehre besonders im Hochschul-, aber auch im Schulbereich, nimmt zu. Inder Präsenzlehre an der Schule besteht zu selten Gelegenheit zum eigenständigen Experimentieren.Daher wurde zwischen 2002 und 2010 an der TU Kaiserslautern in drei Phasen "Akquise von Sponsorenund Entwicklung der RCL-Technik", "Produktion von RCLs" und "Verbreitung und Didaktik vonRCLs" ein RCL-Projekt als Entwicklungs- und Ausbildungsprojekt durchgeführt. Beteiligt waren ca. 10Sponsoren oder Kooperationspartner, ca. 20 Mitarbeiter und 11 Staatsexamenskandidaten. SichtbarstesErgebnis des Projekts ist ein medienspezifisches, viersprachiges Portal mit 17 frei zugänglichenRCLs. Jedes RCL ist in eine gleichartig strukturierte und an die Webnutzung angepasste Lernumgebungintegriert. Die Inhalte der RCLs richten sich mehrheitlich an Schüler der Sekundarstufe II undStudenten im Physik-Grundstudium.Eine erste inhaltliche Linie der Arbeit ist die Einschätzung der Qualität von RCLs, der Lernumgebungvon RCLs und des RCL-Portals anhand von Qualitätsmerkmalen und Nutzerzahlen. Dazu wurdenfolgende Instrumente verwendet: 2010 wurden 335 RCLs in einer weltweiten Recherche mitMerkmalen zum Bestand und Zugang identifiziert. Aktionen von Nutzern beim Experimentieren mitRCLs wurden seit 2005 mitgeloggt und die Nutzung der Lernumgebung in 2010 über 4 Monate mit einemWebanalysetool verfolgt. Lehrkräfte wurden auf Fortbildungen zur Unterrichtstauglichkeit derRCLs befragt und ein direkter Qualitätsvergleich zwischen themengleichen RCLs dreier Anbieterdurchgeführt. Weiterhin wurde in monatlichen Tests zwischen 2006 und 2010 die Funktionstüchtigkeitder RCLs überprüft. Die wichtigsten Ergebnisse sind:• Die Anzahl der Besuche/Tag aller RCLs des RCL-Portals ist zwischen September 2005 und Januar2010 von ca. 2 Besuche/Tag auf ca. 70 Besuche/Tag gestiegen. In 2010 waren ca. 25000 Besuchedes RCL-Portals zu erwarten, registriert wurden ca. 28000 Besuche, davon ca. 23000 ausDeutschland.• Die zeitliche Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals für den Nutzer liegt im Mittel bei 77 %. Wirdnur die Stabilität der RCLs ohne ein Ausfall der Internetverbindung berücksichtigt, liegt diese bei 89%.• Eine Zusammenstellung der experimentellen Tätigkeiten beim Experimentieren mit RCLs entsprichtweitestgehend denen beim Realexperiment. Weiterhin zeigt das Experimentierverhalten derNutzer bei drei ausgewählten RCLs eine Spannbreite wie sie auch beim traditionellen Realexperimenterwartet wird. Experimentieren mit RCLs unterscheidet sich nicht grundsätzlich vom Experimentierenmit klassischen Realexperimenten und unterstreicht damit die Authentizität von RCLs.• Die RCLs des RCL-Portals weisen weltweit die wenigsten Zugangsbarrieren wie z. B. keine Registrierung/Anmeldung,persönliche Angaben oder Installation von Zusatzsoftware auf.• Die Lernumgebungen der einzelnen RCLs verzeichnen im Mittel 10 Besuche/Tag, sind weltweit dieumfangreichsten und stellen über 40 % der viersprachig verfügbaren Lernumgebungen.Als Best-Practice-Beispiele werden das RCL Weltpendel zur Messung der Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung und das RCL Optische Fourier-Transformation zur Visualisierung und zumVerständnis von Eigenschaften der Fourier-Transformation beschrieben. Überlegungen zur Entwicklung,Beschreibungen von Versuchsaufbau und Laborseite, Mess- und Versuchsergebnisse und derMehrwert dokumentieren die Qualität der RCLs. Konkrete Verbesserungsvorschläge zeigen die Komplexitätder Entwicklung von RCLs und die Relativität des Qualitätsbegriffs.

Eine zweite inhaltliche Linie der Arbeit kann unter den Begriffen Überlegungen, Materialien undIdeen zusammengefasst werden:• Es wird ein Buchungssystem vorgestellt, das die Verfügbarkeit eines RCLs innerhalb eines bestimmtenZeitfensters sicherstellt, Lehrende unterstützt ohne andere Nutzergruppen auszuschließen.Zwischen Lehrenden, Lernenden und informellen Nutzern kann unterschieden und damit einnutzerspezifisches Tracking durchgeführt werden.• Eine überarbeitete und erweiterte Version eines ersten Technik-Tutorials aus 2005 bietet allen, dieRCLs nach der Technik des RCL-Projekts realisieren wollen, eine Übersicht und einen Einstieg inden Selbstbau von RCLs.• Zu 13 RCLs, davon 5 des RCL-Portals, werden detaillierte Vorschläge zur Weiterentwicklung gemacht.Vorschläge zu 4 neuen RCLs werden in Stichpunkten skizziert.• Eine Tabelle mit 335 im Internet verfügbarer oder nicht mehr verfügbarer RCLs mit einem geschätztenErfassungsgrad von 90 % enthält Daten zur Planung und Entwicklung verbesserter oderneuer RCLs.Eine dritte inhaltliche Linie der Arbeit ist auf die Verbesserung der Entwicklung von RCLs oder aufeine Ausweitung des Einsatzes von RCLs in der Lehre gerichtet:• Erfahrungen aus der Entwicklung von RCLs werden in ein Phasenmodell zur Entwicklung vonRCLs mit Checklistenpunkten und Meilensteinen umgesetzt. Ziel ist eine Qualitätssteigerung undeine Entwicklungszeitminimierung von RCLs im Hinblick auf verkürzte Zeiten zur Anfertigung einerStaatsexamensarbeit im Bachelor-Master-Studium.• Die Entwicklung von RCLs kann durch adaptieren, optimieren oder komponieren vorhandenerRealexperimente oder durch thematisieren physikalischer Sachverhalte aus Physik, Umwelt, Naturund Technik erfolgen. Letzteres führt zu größtenteils neuen Versuchen oder Versuchsvarianten.• Die gewählte RCL-Technik ermöglicht prinzipiell den Selbstbau von RCLs. Erfahrungen undFeedbacks eines in 2005 durchgeführten Summercamps mit Schülern werden in ein neu konzipiertesSummercamp umgesetzt. Das Auswahlverfahren der Bewerber, Materialmanagement,Wechsel von Informationseinheiten und praktisches Arbeiten sollen zur Realisation von RCLs inSchülergruppen innerhalb von ca. 10 Tagen führen.• Nur ca. 5 % der Lehrkräfte verfügen über die wichtigsten Fähigkeiten zum Selbstbau eines RCLsund die Motivation in einer Arbeitsgemeinschaft mit Schülern RCLs zu bauen. Ein gemeinsamerBlended-Learning-Kurs für Schüler und Lehrkraft von Arbeitsgruppen führt im Wechsel von Arbeitan der Schule und eintägigen Kursen in den Selbstbau von RCLs ein.• Erfahrungen aus der Durchführung von Fortbildungen zum Experimentieren mit RCLs und Einsatzvon RCLs im Unterricht haben zu einer tragfähigen Konzeption einer eintägigen RCL-Fortbildungfür Lehrkräfte geführt und zur Verbreitung von RCLs beigetragen.• Neun beim größten deutschen Schulportal "Lehrer-Online" des Vereins Schulen ans Netz veröffentlichteBeiträge mit Unterrichtseinheiten zu RCLs zeigen, wie RCLs im Unterricht eingesetztwerden können und sind gleichzeitig ein Mittel zur Verbreitung von RCLs.• Für die Sekundarstufe II werden 10 Lehr-Lernformen mit RCLs wie z. B. excperimentelle Hausaufgaben,Experimentalvorträge oder Lernzirkel präsentiert.• Einsatzszenarien von RCLs in der Präsenz- und Fernlehre an Schulen und Hochschulen werdenbeschrieben.Die Arbeit bietet eine zusammenfassende Darstellung eines komplexen Physik- und Medienprojektesund eine Bewertung der erzielten Ergebnissen. Diese Ergebnisse sowie Ideen, Verbesserungen undKonzeptionen können in einer nationalen Weiterführung des RCL-Projekts oder in einem geplanten internationalenEU-Projekt umg setzt werden.

Abbreviated versionSince the 1970s computers, and since about 1990 multimedia have found their way into the teachingof physics. A growing amount of exclusively software based media like simulations or interactivescreen experiments support theoretical considerations or the execution of experiments conserved onvideo. Since about 1994 the development of the internet and internet-technologies allow to control realexperiments and to make measurements at a distance by hardware based Remotely Controlled Laboratories(RCLs). Users can access an RCL by a browser (independent of his location and nearly independenton time) at any time from every location.There are three reasons why this technical development is of relevance for teaching physics: The realexperiment is an essential part of teaching and learning in science and engineering at school and university.The relevance of distance learning at university level, but also at school level, is growing. Theteaching of physics at school seldom offers students the possibility to perform experiments independently.Therefore between 2002 and 2010 the RCL-Project was performed in three phases "Sponsoring andRCL-Technology", "Production of RCLs" and "Dissemination and didactics of RCLs" at the Universityof Technology Kaiserlautern. About 10 sponsors or partners of cooperation, about 20 employees and11 students were participating. The most visible result of the RCL-Project is a media specific, multilingualportal with 17 RCLs of free access. Every RCL is integrated into a web-adapted learning environment.The content of the RCLs focuses on students at secondary schools and students in the first2 years at university.A first line of content in the thesis is an estimation of the quality of RCLs, learning environment andRCL-Portal. The following methods where used: Evaluation of 335 RCLs in content and access foundin a worldwide inventory in 2010. The actions of users during their experimentation with RCLs and theusage of the learning environment was tracked for over 4 months in 2010. Teachers in training courseswere asked to estimate the value of RCLs for teaching physics. A comparison in quality of 3 RCLsabout the same topic was performed. Between 2006 and 2010 the functionality of all RCLs was registered.Most important results are:• The number of users per day of all RCLs on the RCL-Portal together increased between September2005 and January 2010 from approximately 2 users/day to approximately 70 users/day. In2010 we expected 25000 users. We had about 28000 users of which about 23000 (83 %) wereGerman users.• Users are able to access functioning RCLs on the RCL-Portal 77 % of the time since the RCLswere launched. Without taking into account the functioning of internet-connections, the technicalstability of RCLs is much higher, amounting to almost 90%.• Experimental activities for handling the experimental setup and performing measurements in RCLsare nearly the same like those in real experiments. In addition the behavior of RCL-users performingthe experiment shows nearly the same range as can be expected in real experiments. In principle,experimenting with RCLs does not differ much from experimenting with real experiments. Thisunderlines how authentic RCLs are.• RCLs of the RCL-Portal have the fewest barriers of access worldwide like e.g. registration/login,personal data or installation of additional software.• The learning environments of all RCLs have about 10 users/day on average, they are the learningenvironments with the most extensive content worldwide, and cover 40 % of the learning environmentsavailable in four languages.As best-practice examples an RCL World Pendulum about the dependency of g on latitude and anRCL Optical Fourier-Transformation about visualisation and comprehension of properties of Fourier-Transformation are described. Considerations about development, descriptions of experimental setupand laboratory website, results of qualitative and quantitative measurements and the additional valueshow the quality of these RCLs. Specific suggestions for optimization show the complexity of developingRCLs and the relativity of quality.

A second line of content in the thesis contains considerations, materials and ideas:• A booking system which ensures that users can book an RCL for a specific time slot is presented.The system supports especially teachers and academics without neglecting the needs of studentsand informal users. The booking system discriminates between these three user groups to performa user specific tracking.• A revised and extended version of a first technical tutorial from 2005 gives an introduction andoverview about the RCL technology used in the RCL project.• Detailed suggestions for further development are made for 13 RCLs, of which 5 RCLs are from theRCL-Portal. Suggestions for 4 new RCL are presented.• A table with 335 RCLS available on the internet worldwide (which represent about 90 % of RCLsworldwide) contains data for planning and development of improved or new RCLs.A third line of content in the thesis is aimed at improving the development of RCLs or extending theusage of RCLs in physics teaching.• Experiences in the development of RCLs are transformed in a phase model of RCL-developmentwith check list points and milestones. Aim is to improve the quality and to minimize the developmenttime of RCLs. The last aspect is relevant to realize RCLs.• RCLs can developed by adaption, optimization and composition of existing traditional real experimentsor by addressing contents related to physics, environment, natur and technology.• The chosen RCL-technology allows building an RCL in self-assembly. Experiences and feedbacksduring a summer camp with students from school in 2005 are transformed in a new conception fora summer camp. The method of selection for applicants, management of materials, changes betweenunits of information and practical work should lead to a realization of RCLs in teams of studentsin about 10 days.• Only about 5 % of teachers possess the most important abilities for building an RCL and are motivatedto build RCLs together with teams of students at school. A common Blended-Learning-Course for students and teachers provides an introduction to the self-assembly of RCLs by changingphases of work at school and one-day-courses.• Reflections and experiences from teacher training courses about experimenting with RCLs and usageof RCLs in class have lead to a workable conception of a one-day-training course.• Nine units, which show how to integrate RCLs into teaching of physics, are published on the greatestGerman teacher portal "Lehrer-Online". In addition this is a means for dissemination of RCLs.• For secondary school 10 methods of learning with RCLs like experimental homework, experimentaltalk or learning circle are presented.• Scenarios of usage of RCLs in presence and distance teaching at school and university are described.The thesis offers a comprehensive presentation of a complex physics- and media project and an evaluationof results. These results, together with ideas, optimizations and conceptions could be useful fora national continuation of the RCL-Project or in a planned international EU-Project.

INHALTSVERZEICHNISI EINLEITUNG ..................................................................................................... 1II RCL-PROJEKT ................................................................................................. 5II.1 Projektbeschreibung ........................................................................................ 5II.1.1 Verlauf ............................................................................................................... 5II.1.2 Merkmale ........................................................................................................... 8II.2 RCL-Portal ........................................................................................................ 9II.2.1 Portaltyp ............................................................................................................ 9II.2.2 Pflege und Optimierung .................................................................................... 11II.3 RCLs ............................................................................................................... 12II.3.1 Inhalte und Zugang .......................................................................................... 12II.3.2 Laborseite und Standard-Lernumgebung .......................................................... 15II.4 RCL-Recherchen ............................................................................................ 17II.4.1 Methode .......................................................................................................... 17II.4.2 Ergebnisse zum RCL-Bestand .......................................................................... 20II.5 Evaluation des RCL-Portals ........................................................................... 25II.5.1 Methoden ........................................................................................................ 25II.5.2 Besucherzahlen von RCLs ............................................................................... 27II.5.3 Ergebnisse zur Standard-Lernumgebung .......................................................... 32II.6 Zusammenfassung ......................................................................................... 38III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs ............................ 40III.1 Qualität ........................................................................................................... 40III.1.1 Verfügbarkeit ................................................................................................... 41III.1.2 Barrierefreiheit ................................................................................................. 50III.1.3 Nutzerfreundlichkeit.......................................................................................... 53III.1.4 Funktionalität ................................................................................................... 55III.1.5 Konzeption....................................................................................................... 55III.1.6 Interaktivität ..................................................................................................... 57III.1.7 Authentizität ..................................................................................................... 63III.2 Evaluation ...................................................................................................... 66III.2.1 Vergleich themengleicher RCLs ........................................................................ 66III.2.2 Besucher-Tracking des Experimentierens mit RCLs .......................................... 74III.2.3 Beurteilung der RCLs durch Lehrkräfte ............................................................. 78

III.3 Entwicklung.................................................................................................... 79III.3.1 Mehrwertstrategie ............................................................................................ 80III.3.2 Entwicklungsstrategien ..................................................................................... 82III.3.3 Entwicklungsplan ............................................................................................. 84III.3.4 Kosten für Entwicklung und Wartung ................................................................. 89III.3.5 Weiterentwicklung von RCLs ............................................................................ 92III.3.6 Neuentwicklung von RCLs ................................................................................ 97III.4 Zusammenfassung ......................................................................................... 99IV BEISPIELE für RCLs..................................................................................... 101IV.1 RCL Weltpendel............................................................................................ 101IV.1.1 Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung ............................................. 101IV.1.2 Wahl des Messverfahrens .............................................................................. 102IV.1.3 Versuchsaufbau und Laborseite ...................................................................... 105IV.1.4 Messergebnisse und Auswertungen................................................................ 107IV.1.5 Konzeption des RCLs ..................................................................................... 112IV.1.6 Optimierung des RCLs ................................................................................... 113IV.2 RCL Optische Fourier-Transformation ........................................................ 114IV.2.1 Optische Fourier-Transformation..................................................................... 114IV.2.2 Fourier-Transformation und Fraunhofer´sche Beugung .................................... 114IV.2.3 Beugungsobjekte ........................................................................................... 116IV.2.4 Versuchsaufbau und Laborseite ...................................................................... 120IV.2.5 Eigenschaften der Fourier-Transformation....................................................... 122IV.2.6 Vergleich von Intensitätsverteilungen .............................................................. 131IV.2.7 Konzeption des RCLs ..................................................................................... 135IV.2.8 Optimierung des RCLs ................................................................................... 136IV.3 Zusammenfassung ....................................................................................... 139V TECHNIK von RCLs ...................................................................................... 141V.1 Technische Konzeption ............................................................................... 142V.1.1 Einführung ..................................................................................................... 142V.1.2 Wahl der RCL-Technik ................................................................................... 144V.2 Lokal gesteuertes RCL ................................................................................. 150V.2.1 Interface ........................................................................................................ 150V.2.2 Hyperterminal ................................................................................................ 157V.2.3 Positionieren von Objekten ............................................................................. 158V.3 Ferngesteuertes RCL ................................................................................... 163V.3.1 RCL-Server .................................................................................................... 163V.3.2 Laborseite ...................................................................................................... 165V.3.3 Standard-Lernumgebung ................................................................................ 168V.4 Zusammenfassung ....................................................................................... 170

VI DIDAKTIK mit RCLs ..................................................................................... 171VI.1 RCLs als Physikmedium und Realexperiment ............................................. 171VI.1.1 Einordnung unter Physikmedien ..................................................................... 171VI.1.2 Einordnung unter Realexperimenten ............................................................... 174VI.1.3 Vor- und Nachteile von RCLs.......................................................................... 175VI.2 Lernumgebungen von RCLs ........................................................................ 178VI.2.1 Kognitive Werkzeuge ..................................................................................... 178VI.2.2 Simulationen .................................................................................................. 180VI.2.3 Standard-Lernumgebung ................................................................................ 181VI.2.4 Aufgabensammlungen.................................................................................... 183VI.2.5 Tutorials......................................................................................................... 185VI.3 Lehren und Lernen mit RCLs in der Sekundarstufe II ................................. 186VI.3.1 Voraussetzungen ........................................................................................... 186VI.3.2 Lehr-Lernformen ............................................................................................ 188VI.3.3 Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung ............ 190VI.4 Selbstbau von RCLs..................................................................................... 194VI.4.1 Erfahrungen mit Schülern ............................................................................... 194VI.4.2 Befragung von Lehrkräften ............................................................................. 196VI.5 Zusammenfassung ....................................................................................... 197VII VERBREITUNG von RCLs ............................................................................ 199VII.1 Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge, Vorträge und Poster ..................... 199VII.2 Beiträge im Bildungsportal Lehrer-Online ................................................... 201VII.2.1 Auswahl des Bildungsportals .......................................................................... 201VII.2.2 Übersicht und Struktur der Beiträge ................................................................ 202VII.2.3 Besucherzahlen ............................................................................................. 204VII.3 Fortbildungen und Workshops .................................................................... 205VII.3.1 Konzeption, Verlauf und Organisation ............................................................. 206VII.3.2 Evaluation der Fortbildung .............................................................................. 209VII.4 Zusammenfassung ....................................................................................... 211VIII AUSBLICK .................................................................................................... 214VIII.1 Weiterführung des RCL-Projekts ................................................................. 214VIII.1.1 Nationale Lösung ........................................................................................... 214VIII.1.2 Internationales EU-Projekt .............................................................................. 215VIII.2 Buchungssystem ......................................................................................... 216VIII.2.1 Ziele und Konzeption ...................................................................................... 216VIII.2.2 Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit ............................................................ 219

VIII.3 Entwicklung und Einsatzszenarien von RCLs ............................................. 221VIII.3.1 Fernlehre Sekundarstufe II ............................................................................. 221VIII.3.2 Präsenzlehre Sekundarstufe II ........................................................................ 224VIII.3.3 Präsenzlehre Sekundarstufe I ......................................................................... 227VIII.3.4 Präsenz- und Fernlehre an Universitäten ........................................................ 228VIII.4 Empirische Untersuchung des Lehren und Lernen mit RCLs ..................... 230VIII.4.1 Fragestellungen ............................................................................................. 230VIII.4.2 Untersuchungsinstrument Besucher-Tracking ................................................. 231VIII.5 Selbstbau von RCLs..................................................................................... 232VIII.5.1 Blended-Learning-Kurs ................................................................................... 232VIII.5.2 Summercamp ................................................................................................ 234IX ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................. 236IX.1 Dokumentation des RCL-Projekts ................................................................ 236IX.2 Evaluation des RCL-Projekts ....................................................................... 237IX.3 Beiträge zur Weiterführung des RCL-Projekts............................................. 238X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI ................................................................. 241X.1 Werbebroschüre zum RCL-Portal ................................................................ 241X.2 Standorte, RCL-Betreuer und Zugangsdaten von RCLs des RCL-Portals .. 242X.3 Checkliste zur Auslieferung von RCLs ........................................................ 244X.4 Kostenvoranschlag für Buchungssystem ................................................... 246X.5 Tabelle mit Daten der RCL-Recherche ......................................................... 247X.6 Besucherzahlen des RCL-Portals ................................................................ 265X.7 Veröffentlichungen zum RCL-Projekt .......................................................... 266X.8 Länder von Besuchen der Standard-Lernumgebungen .............................. 272X.9 Seitenaufrufe und Besuchsdauer der Standard-Lernumgebungen ............. 273X.10 Testbericht der RCLs des RCL-Portals vom Oktober 2010.......................... 274X.11 Verfügbarkeit und Stabilität der RCLs des RCL-Portals .............................. 275X.12 Bestimmung der Erdbeschleunigung mit RCL Weltpendel ......................... 276X.13 Messergebnisse zum RCL Weltpendel Kaisersesch ................................... 277X.14 Fragebogen zur Fortbildung für Lehrkräfte ................................................. 278X.15 Fragebogen zur Verfügbarkeit traditioneller Realexperimente .................... 280

XI ANHANG zu KAPITEL IV .............................................................................. 285XI.1 Interface in Basisschaltung ......................................................................... 285XI.1.1 Schaltplan und Bauteilliste .............................................................................. 285XI.1.2 Bestückung der Platine ................................................................................... 287XI.2 Erweiterungsschaltungen ............................................................................ 291XI.2.1 Übersicht ....................................................................................................... 291XI.2.2 TMC222-Modul zur Schrittmotorsteuerung ...................................................... 293XI.2.3 Geschaltete Spannungsquellen und Verbraucher ............................................ 295XI.2.4 Steuerung von Gleichstrommotoren ................................................................ 296XI.3 Quellcodes zum RCL Elektronenbeugung ................................................... 297XI.3.1 Mikrocontroller-Programmierung ..................................................................... 297XI.3.2 PHP-Programmierung .................................................................................... 301XI.3.3 Bedienfeld der Laborseite ............................................................................... 303XI.3.4 Webcamfeld der Laborseite ............................................................................ 304XI.4 Entwicklungsumgebungen zur Mikrocontroller-Programmierung .............. 305XI.4.1 AVR-Studio 4.18 ............................................................................................ 305XI.4.2 BASCOM 1.11.9.8 Demoversion ..................................................................... 307XI.5 Installation und Konfiguration von Programmen auf dem RCL-Server ....... 309XI.5.1 Einrichten des Internet-Zugangs ..................................................................... 310XI.5.2 Paket XAMPP 1.7.4........................................................................................ 310XI.5.3 Videoserver webcamXP 5 Private ................................................................... 312XI.5.4 Terminalprogramm Hyperterminal ................................................................... 314XI.5.5 Fernwartungssoftware TeamViewer 6 Host ..................................................... 317XI.6 Selbstbau eines elementaren RCLs ............................................................. 319XI.6.1 Hard- und Software ........................................................................................ 319XI.6.2 Bestückung der Platine ................................................................................... 319XI.6.3 Lokal gesteuertes RCL ................................................................................... 320XI.6.4 Ferngesteuertes RCL ..................................................................................... 322XII LITERATURVERZEICHNIS............................................................................ 325

I EINLEITUNG 1I EINLEITUNGSeit ungefähr 1970 halten Computer und seit ungefähr 1990 Multimedia Einzug in die Physiklehre.Ein wachsender Umfang rein softwarebasierter digitaler Medien wie z. B. Simulationenoder interaktive Bildschirmexperimente unterstützen seither die Theoriebildung oder erlaubendie Durchführung von als Video konservierten Experimenten. Die Entwicklung des Internetund von Internet-Technologien ermöglichte seit ungefähr 1994 mit hardwarebasiertenRemotely Controlled Laboratories (RCLs) sowohl die Fernsteuerung von Realexperimentenals auch Fernmessungen an Realexperimenten in Echtzeit. Abb. 1 veranschaulicht das Prinzipvon RCLs:Abb. 1: Prinzip von RCLs.Ein Besucher an einem quasi beliebigen Ort A kann über das Internet mit einem Experimentan einem quasi beliebigen Ort B experimentieren. Dazu stellt ein RCL-Server auf dem Computerdes Besuchers eine Webseite bereit, von der aus der Besucher das Experiment überAktoren fernsteuern und über Sensoren Fernmessungen durchführen kann. Den Datenaustauschzwischen RCL-Server und Experiment und die Steuerung des Experiments übernimmtein Interface. Per Webcam erhält der Besucher auf der Webseite visuelle Rückmeldungenzu durchgeführten Aktionen und Veränderungen im Experiment.Didaktisch relevant ist diese technische Entwicklung weil 1. das Realexperiment ein essentiellerBestandteil der Schul- und Hochschulausbildung in den Natur- und Ingenieurwissenschaftenist, 2. die Bedeutung der Fernlehre im Hochschul- und auch im Schulbereich zunimmtund 3. Schüler zu selten Gelegenheit zum eigenständigen Experimentieren in derSchule haben. Nach dem Abschluss der Entwicklung und Dokumentation des FiPS-Projekts 1,2 durch die Arbeitsgruppe Didaktik der Physik an der Technischen Universität Kaiserslauternwurde erkannt, dass videobasierte Medien und Simulationen nur ein unzureichenderErsatz für Demonstrationsexperimente in den Vorlesungen zur Experimentalphysiksind. Folgerichtig wurde in 2001 das RCL-Projekt begonnen, dessen Hauptprodukt 17RCLs sind. Abb. 2 zeigt exemplarisch die Laborseite des RCLs Fotoeffekt als Bestandteil derStandard-Lernumgebung (blaue Menüpunkte):12Vgl. Roth 2001.Vgl. Schweickert 2002.

I EINLEITUNG 2Abb. 2: Laborseite des RCLs Fotoeffekt.Zu Beginn des RCL-Projekts existierten schon abgeschlossene oder noch laufende Projektezu RCLs für Ingenieure 3 oder ausschließlich Studierenden als Zielgruppe 4 . Zielgruppe desRCL-Projekts sind Schüler in Physikkursen der Sekundarstufe II und Studierende der Physikim Grundstudium.Die Arbeit verfolgt zwei Ziele: Zum einen die Dokumentation und Evaluation des RCL-Projekts, zum anderen die Entwicklung von Materialien, Konzeptionen und Ideen für potentielleWeiterführungen des RCL-Projekts. Damit beziehen sich die Inhalte der Arbeit zum einenauf die Vergangenheit und zum anderen auf die Zukunft. Die Arbeit umfasst sieben Kapitel:• Das Kapitel "RCL-Projekt" beschreibt das RCL-Projekt anhand des Verlaufs und anhandder Produkte auf dem RCL-Portal. Eine in 2010 durchgeführte Recherche zum weltweitenBestand an RCLs bildet die Grundlage vieler Ergebnisse der Arbeit. Das RCL-Projekt unddie Standard-Lernumgebungen werden mit einem Besucher-Tracking evaluiert. Mit demKapitel soll in das RCL-Projekt eingeführt werden. Weitere Kapitel können im Prinzip inbeliebiger Reihenfolge gelesen werden. Über Querverweise kann gegebenenfalls auf Ergebnisseanderer Kapitel zugegriffen werden.• Im Kapitel "Qualität, Evaluation und Entwicklung von RCLs" werden Qualitätskriterien und-merkmale zur Evaluation von RCLs entwickelt und drei themengleiche RCLs evaluiert.Strategien und ein Entwicklungsplan zur Qualitätssicherung in der Entwicklung von RCLswerden vorgestellt. Mit dem Kapitel soll die Komplexität der Entwicklung und Realisationvon qualitativ guten RCLs vermittelt werden.• Im Kapitel "Beispiele für RCLs" werden die RCLs Weltpendel und Optische Fourier-Transformation des RCL-Portals in der Entwicklung, im Versuchsaufbau und den experimentellenErgebnissen beschrieben und anhand der Qualitätskriterien evaluiert. Mit dem34Vgl. z. B. Remote LAboratorx eXperimentation Trial (RELAX).Vgl. z. B. Practical Experimentation by Accessible Remote Learning (PEARL).

I EINLEITUNG 3Kapitel soll an zwei konkreten Beispielen die Qualität der RCLs des RCL-Portals gezeigtwerden.• Das Kapitel "Technik von RCLs" ist die überarbeitete Fassung eines bereits 2006 erstelltenTutorials zur Technik der RCLs des RCL-Portals und zum Selbstbau von RCLs. Mitdem Kapitel soll Studierenden ein schneller Einstieg in die Technik von RCLs ermöglichtwerden.• Im Kapitel "Didaktik für RCLs" werden durch Vergleich von RCLs mit Physikmedien undFormen des Realexperiments Vor- und Nachteile von RCLs diskutiert. Eine Übersicht vonLernumgebungen von RCLs und ein Spektrum von Lehr-Lernformen zur Integration vonRCLs in den Unterricht der Sekundarstufe II werden präsentiert. Am Beispiel einer Unterrichtseinheitzur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung mit dem RCL Weltpendelwird der Einsatz von RCLs konkret beschrieben und die Verwendung von Lehr-Lernformen demonstriert. Mit dem Kapitel soll das didaktische Potential von RCLs für dasLernen von Physik gezeigt werden.• Im Kapitel "Verbreitung von RCLs" werden im RCL-Projekt verwendete Kommunikationswegewie z. B. Zeitschriftenartikel oder Fortbildungen für Lehrkräfte zur Verbreitung vonRCLs beschrieben. Mit dem Kapitel sollen die Bemühungen einem breiten Adressatenkreisdas RCL-Projekt und RCLs nahezubringen sowie der Umfang produzierter Veröffentlichungen,Schriften und durchgeführter Maßnahmen dokumentiert werden.• Das letzte Kapitel "Ausblick" beschreibt zwei potentielle Weiterführungen des RCL-Projekts und stellt für eine der Weiterführungen ein Buchungssystem zur Reservierungvon RCLs vor. Es werden Einsatzszenarien von RCLs in der Präsenz- und Fernlehre anSchulen und Hochschulen beschrieben an denen die Entwicklung und Produktion vonRCLs orientiert werden sollte. Die Konzeptionen zweier Weiterführungen eines in 2005durchgeführten Summercamps mit Schülern zum Selbstbau von RCLs werden vorgestellt.Mit dem Kapitel soll ein Beitrag zur verstärkten Implementation von RCLs in der Lehre geleistetwerden.Alle Kapitel außer dem Kapitel "Ausblick" schließen mit einer Zusammenfassung der wesentlichenErgebnisse und Aussagen. In der Arbeit werden folgende Konventionen verwendet:• Der Begriff "RCL" wird sowohl für die Gesamtheit der RCLs als auch für die RCLs imRCL-Projekt verwendet. In zweideutigen Fällen wird von RCLs des RCL-Portals gesprochen.• Je nach Kontext werden Personen die RCLs verwenden als Nutzer, Besucher, Experimentatoren,Lehrende oder Lernende bezeichnet.• Verlinkte Querverweise werden in den Formen (→ I.3.2), (→ I.2.2, Abb. 6), (← III.1.3, Tab.3) oder (← III.1.3, ▪ Konzeption) angegeben. Die Pfeilrichtung gibt an, ob das Ziel desVerweises vor oder hinter der Verweisstelle liegt. Hinter der Abschnittsnummer grenzt die

I EINLEITUNG 4Abbildungsnummer, die Tabellennummer oder die Überschrift eines Textblocks wie z. B.„▪ Konzeption“ die Stelle ein.• Zur Unterscheidung von RCLs als Realexperimente von Demonstrationsexperimentenwerden letztere auch als traditionelle Realexperimente bezeichnet. Mit Realexperimentensind immer didaktische Experimente und keine Forschungsexperimente gemeint.• Mit Studenten und Schülern sind auch Studentinnen und Schülerinnen gemeint.• Alle Links wurden vor Abgabe der Arbeit auf Funktionstüchtigkeit geprüft. Auf der beigelegtenCD befindet sich die Arbeit als pdf-Dokument, in der Links beim Lesen aufgerufenwerden können.• Die Bezeichnung ID x mit x = 1, …, 335 verweist immer auf ein RCL in der Tabelle zurRCL-Recherche im Anhang X.5.• Mit Arbeitsgruppe ist die Arbeitsgruppe Didaktik der Physik an der Technischen UniversitätKaiserslautern gemeint.

II RCL-PROJEKT 5II RCL-PROJEKTStruktur, Inhalte und Merkmale des RCL-Projekts (→ II.1) sowie das RCL-Portal werden vorgestellt(→ II.2). Die RCLs des RCL-Portals werden inhaltlich eingeordnet sowie der Zugangzu RCLs, die Laborseite von RCLs und die Standard-Lernumgebung der RCLs beschrieben(→ II.3).In 2010 wurde eine Recherche zum weltweiten Bestand von RCLs durchgeführt. Die Methodeder Recherche wird vorgestellt (→ II.4.1). Anhand der Ergebnisse zum Bestand an RCLserfolgt eine Einordnung des RCL-Projekts und eine Einschätzung der Qualität der Standard-Lernumgebung (→ II.4.2).Als Methoden zur Evaluation des RCL-Portals werden das Besucher-Tracking mit Logdateienund mit dem Webanalysetool Google Analytics vorgestellt (→ II.5.1). Mit der ersten Methodewird die Entwicklung von Besucherzahlen des RCL-Portals untersucht (→ II.5.2), mitder zweiten Methode die Nutzung der Standard-Lernumgebung von RCLs (→ II.5.3).II.1 ProjektbeschreibungII.1.1 VerlaufIn Abb. 3 ist der zeitliche Verlauf des RCL-Projekts zwischen 2002 und 2010 in drei kontinuierlichineinander übergehende Phasen "Sponsorenakquise und Technik von RCLs", "Produktionvon RCLs" und "Didaktik und Verbreitung von RCLs" und differenziert nach den BereichenSponsoren/Kooperationspartner, Technik, Didaktik und RCLs dargestellt:• Sponsoren und KooperationspartnerBeteiligt am RCL-Projekt waren in abnehmender Reihenfolge finanzieller Zuwendungen10 Sponsoren bzw. Kooperationspartner: Intel im Rahmen von Intel ® Education 5 , der ArbeitgeberverbandGesamtmetall mit der Initiative THINK. ING 6 , die Eberhard von KuenheimStiftung 7 , European Schoolnet 8 , der Verein Schulen ans Netz 9 im Rahmen des Projekts"Naturwissenschaften Entdecken!" 10 , die Hochschule Heilbronn 11 , das TechnologieundGründerzentrum der Verbandsgemeinde Kaisersesch 12 , die Firmen Hameg 13 und LD-Didactic 14 , der Verein MINT-EC 15 sowie das Deutsche Museum 16 und das Verkehrsmuse-56789101112131415Vgl. Intel®Education.Vgl. THINK ING..Vgl. Eberhard von Kuenheim Stiftung - Stiftung der BMW AG.Vgl. European Schoolnet - Transforming education in Europe.Vgl. Schulen ans Netz e. V..Vgl. Naturwissenschaften entdecken! - Ein Projekt von Schulen ans Netz e. V..Vgl. Hochschule Heilbronn.Vgl. Technologie und Gründerzentrum Region Kaisersesch GmbH.Vgl. Hameg.Vgl. LD Didactic GmbH.Vgl. Verein mathematisch-naturwissenschaftlicher Excellenz-Center an Schulen e. V. (MINT EC ® ).

II RCL-PROJEKT 6um 17 als Zweigmuseum des Deutschen Museums in München. Das Finanzvolumen desProjekts lag bei fast 400.000 €.Motive und Gründe der Sponsoren und Kooperationspartner für eine Zusammenarbeit imRCL-Projekt sind vielfältig: Förderung naturwissenschaftlich-technisch begabter Schüler,Gewinnung von Nachwuchskräften für ingenieurwissenschaftliche Studiengänge, Verwendungvon Geräten in RCLs als Firmenwerbung, Unterstützung der Lehrkräfte anSchulen mit mathematisch-naturwissenschaftlichem Profil oder Anbieten von Fortbildungenfür Lehrkräfte zum Einsatz von RCLs im Unterricht.Abb. 3: Verlauf des RCL-Projekts in den Bereichen Sponsoren/Kooperationspartner, Technik, Didaktikund RCLs (* RCL existiert nicht mehr).• TechnikEssentielle Hardwarekomponente eines RCLs ist das Interface zwischen RCL-Server undExperiment (← I, Abb. 1). In 2001 wurde als käuflich erwerbbarer Prototyp das InterfaceCassy von Leybold beim RCL Elektronenbeugung in Verbindung mit einem CGI-Skripteingesetzt. 18 Die ersten RCLs wurden unter Beteiligung einer Firma 19 entwickelt und dieSoftware zum Interface programmiert. Ein ebenfalls käuflich erwerbbares Interface vonFischertechnik wurde 2004 bei den nicht mehr existierenden RCLs Beugung und Interfe-16171819Vgl. Deutsches Museum.Vgl. Deutschen Museum Verkehrzentrum.Vgl. Roth 2001, S. 89.Vgl. Netzmedien GbR.

II RCL-PROJEKT 7renz* und Optische Computertomographie* verwendet. 20 Aus technischen und didaktischenGründen sind heute die RCLs mit einem programmierbaren Eigenbau-Interface (→V.2.1) und PHP-Software (→ V.3.2) ausgestattet. Die Programmierung komplexerer Laborseitender RCLs Beugung und Interferenz II und Optische Fourier-Transformation wurdevon einer Firma 21 durchgeführt.In 2001 wurde ein erster Webauftritt RLAB des RCLs Elektronenbeugung erstellt. 22 Einweiterer Webauftritt remote_lab 23 mit Portalcharakter wurde 2002 in Kooperation mit derEberhard von Kuenheim Stiftung für die Sonderausstellung "Klima. Das Experiment mitdem Planeten Erde" vom 07.11.2002 - 07.09.2003 am Zentrum Neue Technologien (ZNT)des Deutschen Museums entwickelt. Nach dem Einstieg des Hauptsponsors Intel zumJahresende 2004 wurde das RCL-Portal (→ II.2) im Corporate Design von Intel in derheutigen Form entwickelt und veröffentlicht. 24In 2005 wurde begonnen ein Buchungssystem zur Reservierung von Zeiten zum Experimentierenmit RCLs zu programmiert. 25,26 Das Buchungssystem wird in 2011 implementiert.In 2006 wurde ein Tutorial zum Selbstbau von RCLs erstellt 27 , das in einer überarbeitetenFassung vorliegt (→ V).• DidaktikAuf der Klima-Ausstellung am Zentrum Neue Technologien (ZNT) und am Verkehrsmuseumkonnten Ausstellungsbesucher unter dem Motto "Spielen - Lernen - Forschen" mit denRCLs Roboter im Labyrinth (Spielen), Wärmebildkamera und H 2 -Brennstoffzelle (Lernen)und Optische Pinzette (Forschen) experimentieren. Nach der Entwicklung des Eigenbau-Interface wurde in 2005 ein einwöchiges Summercamp für Schüler durchgeführt, um ersteErfahrungen zum Selbstbau von RCLs zu sammeln (→ VI.4.1). Ein Teilnehmer des Summercampshat in 2007 ein bis 2010 auf dem RCL-Portal verfügbares RCL zu Halbleiterkennlinienrealisiert (← 1.1, Abb. 3).Zwischen 2005 und 2010 wurde vielfältiges Lehr-Lernmaterial erstellt: Alle RCLs sind ineine Standard-Lernumgebung integriert (→ II.3.2, → VI.2.3), zu 6 RCLs existieren umfangreicheAufgabensammlungen (→ VI.2.4) und zu 9 RCLs wurden auf dem größtendeutschen Portal Lehrer-Online Beiträge zum Einsatz von RCLs in der Sekundarstufe IIveröffentlicht (→ VII.2). Seit 2007 wurden für Lehrkräfte Fortbildungen und Workshopszum Einsatz von RCLs im Physikunterricht durchgeführt (→ VII.3). Die Teilnehmer experimentierenmit RCLs und lernen Lehr-Lernformen zum Einsatz von RCLs im Physikunterricht(→ VI.3.2) kennen.2021222324252627Vgl. König 2005, S. 41.Vgl. 200grad GmbH & Co. KG.Vgl. Roth 2001, S. 90-93.Vgl. Remote_lab - ein ferngesteuertes Labor im Internet, nicht mehr in der damaligen Form.Kooperation von M. Vetter, B. Eckert und H.-J. Jodl.Entwurf und Programmierung durch M. Vetter und U. Schläpfer.Vgl. Glas 2006, S. 9-25.Vgl. Vetter 2006.

II RCL-PROJEKT 8• RCLsDerzeit werden 17 RCLs mit einer großen inhaltlichen Breite angeboten (→ II.3.1). ZuDemonstrationszwecken auf Didaktik-Messen und Fortbildungen wurde ein transportablesDemonstrations-RCL zur Beugung realisiert. Die nach 2005 entwickelten und noch heuteauf dem RCL-Portal verfügbaren RCLs zeigen die Verbesserung der RCL-Technik imLaufe des RCL-Projekts. Zur weiteren Verbesserung der Qualität von RCLs wurden Qualitätskriterien(→ III.1) zur Evaluation von RCLs (→ III.2) und Maßnahmen zur Qualitätssicherungwährend der Entwicklung von RCLs (→ III.3) entwickelt. Exemplarisch zeigen dieRCLs Weltpendel (→ IV.1) und Optische Fourier-Transformation (→ IV.2) die Qualität derRCLs.II.1.2 MerkmaleIn Ergänzung zur Verlaufsbeschreibung ist das RCL-Projekt durch folgende Merkmale gekennzeichnet:• Kombiniertes Entwicklungs- und AusbildungsprojektZwischen 2005 und 2009 haben 11 Studierende des Lehramts für Physik im Rahmen vonStaatsexamensarbeiten 13 RCLs entwickelt (→ VI.1, Tab. 46), wovon 10 RCLs auf demRCL-Portal angeboten werden. Die Staatsexamenskandidaten lernen Studieninhalte inein RCL umzusetzen und schulen experimentelle Fähigkeiten für die spätere Lehrtätigkeit.Unter den 24 Mitarbeitern des RCL-Projekts waren außer den Studierenden ein Projektleiter,7 Mitarbeiter mit Schwerpunkt Technik und 4 mit Schwerpunkt Didaktik.• Außendarstellung des RCL-Projekts und Verbreitung von RCLsDie Außendarstellung des RCL-Projekts und Verbreitung von RCLs erfolgte über dasRCL-Portal (→ II.2), durch deutsch- und englischsprachige Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge,-vorträge und -poster (→ VII.1), durch Beiträge zum Unterrichteinsatz in einemLehrer-Portal (→ VII.2), durch Fortbildungen für Lehrkräfte (→ VII.3) sowie mit Werbeplakatenund einer Werbebroschüre (→ Anhang X.1). Weiterhin wurde ein breiteresPublikum auf Veranstaltungen zur Übergabe von RCLs an den Standorten Isernhagen,Heilbronn, Kaisersesch und Berlin über RCLs informiert.• Kommunikation mit Besuchern von RCLsUngefähr 10 E-Mails pro Monat werden von Lehrkräften, Schülern oder Dozenten zuRCLs oder zum RCL-Projekt geschickt. Inhalte sind positive Rückmeldungen zum RCL-Projekt, Fragen zum Nachbau oder zur Nutzung von RCLs in Facharbeiten, Anfragen zurDurchführung von Fortbildungen für Lehrkräfte und Meldungen von Funktionsstörungender RCLs (→ III.1.1).

II RCL-PROJEKT 9• Dezentrales und zentrales Standortkonzept von RCLsBis 2009 wurde im RCL-Projekt ein dezentrales Standortkonzept von RCLs verfolgt. DieRCLs stehen mit den RCL-Servern an verteilten Standorten und Besucher können überden RCL-Portalserver bzw. das RCL-Portal auf die RCLs zugreifen. Hintergrund ist derKooperationsvertrag mit Intel, in dem Kontaktgymnasien von Intel als Standorte von RCLsvorgesehen waren und fehlende Räumlichkeiten an der Technischen Universität Kaiserslauternfür eine größere Anzahl RCLs. Die Auslieferung von RCLs an Standorte musslängerfristig z. B. über eine Checkliste (→ Anhang X.3) vorbereitet werden.In 2009 scheiterte ein Versuch die RCLs an einem zentralen Standort bei der FWU 28 alsMedieninstitut der Länder zusammenzuziehen an der zukünftigen Ausrichtung des Instituts.Derzeit stehen von den 16 RCLs und den 5 RCLs des Weltpendels 10 an Hochschulen,6 an Schulen, 3 an einem Gründerzentrum für Unternehmen, eines an einem Museumund eines an einer Landesbehörde (→ Anhang X.2). In 2011 werden etwa 10 derRCLs in München im Rahmen der Weiterführung des RCL-Projekts (→ VIII.1.1) zusammengezogen.II.2 RCL-PortalII.2.1 PortaltypPortale bieten einen vereinfachten, inhaltsschärferen Zugang zu ausgewählten Ressourcenund Dienstleistungen inmitten eines nicht mehr überschaubaren Informationsangebots im Internet.Technologische Bezeichnungsanteile von Portalen wie in Web-Portal, Internet-Portaloder Lern-Plattform wurden als Ausdruck einer zunehmenden Orientierung am Besucherdurch Bezeichnungsanteile, die den Verwendungszweck des Portals beschreiben, ersetzt.Bildungsportale, technologisch manchmal noch als Bildungsserver bezeichnet, sind z. B. aufdie Bereitstellung von Ressourcen und Dienstleistungen zum Lehren und Lernen spezialisiert.28Vgl. FWU - Das Medieninstitut der Länder.

II RCL-PROJEKT 10Abb. 4 zeigt die Startseite des RCL-Portals 29 :Abb. 4: Startseite des RCL-Portals.Unter dem Menüpunkt RCL-Projekt sind Informationen zu Zielen und Verlauf des RCL-Projekts, zum Schülercamp, zu Fortbildungen für Lehrerkräfte und zu Sponsoren/Kooperationspartnerverfügbar. Weiterhin stehen Artikel zu RCLs und zum RCL-Projektzum Download bereit. Der Menüpunkt RCLs führt zu den 17 RCLs. Unter dem MenüpunktTechnische Hinweise sind getestete Browserversionen und freizuschaltende Ports für einefunktionierende Internetverbindung zu finden. Der Menüpunkt Kontakt erklärt sich selbst. DasRCL-Portal ist• ein internationales Angebot, weil Besucher unter vier Sprachen wählen und weltweit aufdas Angebot zugreifen können.• ein hochspezialisiertes Portal, weil medienspezifisch nur RCLs und themenspezifisch fastausschließlich RCLs zur Physik angeboten werden.• ein Medienportal und kein Medienserver wie z. B. der zum Früheinstieg ins Physikstudium(FIPS) 30 , weil die RCLs über eine Standard-Lernumgebung verfügen.• ein Portal zur Systemintegration 31 , weil die technische Hauptfunktion ein einheitlicher Zugangzu RCLs an mehreren Standorten ist.• kein Bildungsportal, weil Kommunikationstools wie z. B. Chat und Forum sowie Dienstleistungenwie z. B. die Betreuung durch Tutoren fehlen.293031Vgl. RCL-Portal.Vgl. FIPS-Medienserver.Vgl. Wilbers 2007, S. 4.

II RCL-PROJEKT 11II.2.2 Pflege und OptimierungDie Qualität des RCL-Portals wurde in Inhalt, Form und Funktion ständig verbessert:• Fernzugriff auf RCL-Server und RCL-PortalserverÜbersetzungen von Standard-Lernumgebungen oder überarbeitete, korrigierte Webseitenwurden zunächst per Mail an den RCL-Betreuer zur Aktualisierung zugeschickt. Fehler inden zugesendeten Webseiten oder unerwartet auftretende Softwareprobleme konnten nurzeitaufwendig und verzögert behoben werden. Seit 2007 kann mit einer für die nichtkommerzielleNutzung kostenlosen Remote-Desktop-Software 32 auf die einzelnen RCL-Server zugegriffen, ein Dateiaustausch und ein Neustart des RCL-Servers durchgeführtwerden.Die Webseiten des RCL-Portals auf dem RCL-Portalserver befinden sich seit 2008 auf einemServer des Rechenzentrums der Technischen Universität Kaiserslautern. Außer demhöheren Schutz vor Viren- und Hackerangriffen, können seitdem Aktualisierungen derWebseiten über ein FTP-Programm 33 mit gesichertem Zugriff durchgeführt werden.• Form und Inhalte der Standard-LernumgebungenDie Standard-Lernumgebungen der RCLs wurden seit 2007 in folgenden Punkten verbessert:Die Bezeichnung der Menüpunkte, das Webseiten-Layout und Dateinamen wurdenvereinheitlicht. Es wurden Abbildungs- und Tabellenunterschriften mit Verweisen undstandardisierte Zwischenüberschriften in den Text eingefügt (→ V.3.3, Tab. 37). Inhaltewurden überarbeitet oder ergänzt und Rechtschreibfehler korrigiert.• Übersetzungen der Standard-Lernumgebung in mehrere SprachenDie Webseiten der Menüpunkte RCL-Projekt, Technische Hinweise und Kontakt auf derStartseite des RCL-Portals sind in allen vier Portalsprachen Deutsch, Englisch, Italienischund Französisch verfügbar. Deutsche Webseiten der Standard-Lernumgebungen unterdem Menüpunkt RCLs wurden zeitnah durch Mitarbeiter der Arbeitsgruppe 34 ins Englischeübersetzt. Übersetzungen ins Französische und Italienische wurden als Aufträgevergeben oder kostenlos von Kooperationspartnern durchgeführt (→ II.3.2, Tab. 2). DasAngebot an Besucher des RCL-Portals Standard-Lernumgebungen in die eigene Landessprachezu übersetzen wurde nicht genutzt.• Wiedergabegeschwindigkeit von WebcambildernZur Wiedergabe von Webcambildern wurde bei den meisten RCLs Java, bei anderenRCLs Javaskript eingesetzt. Nachteile von Java sind die clientseitige Installation des JavaRuntime Environment (JRE), die von der Taktfrequenz des Computers und der JRE-Version abhängige, zeitverzögerte Darstellung des Webcambilds und die langsame Bild-323334Vgl. TeamViewer GmbH, Teamviewer.Vgl. FTP-Programm WinSCP.Fast ausschließlich durch H.-J. Jodl und B. Eckert.

II RCL-PROJEKT 12übertragung. Seit 2007 sind diese Nachteile durch Umstellung der Webcambildwiedergabealler RCLs auf Javaskript beseitigt (→ V.3.2.2).• Austausch von RCL-ServernAus Kostengründen wurden in den ersten Jahren des RCL-Projekts gespendete, ältereComputer der Firma Intel verwendet. Zu kleine Taktfrequenzen der Computer, Ausfälleder teilweise fast 10 Jahre alten Computer, unzureichende Festplattenkapazität und diegesunkenen Preise für Desktop-Computer führten zum Austausch von ungefähr der Hälfteder RCL-Server.• RCL-ResetDie Kommunikation zwischen dem Interface und dem RCL-Server über die serielleSchnittstelle (→ V.2.2) war langfristig instabil. Deshalb konnten Besucher über einen ButtonRCL-Reset auf der Login-Seite und im Bedienfeld der Laborseite den RCL-Server neustarten. Ein Besucher-Tracking (→ II.5.1) beim RCL Elektronenbeugung zeigte, dass fast20 % der Besucher fälschlicherweise den RCL-Reset durchführten, weil vor dem Anlegender Beschleunigungsspannung die Elektronenbeugungsröhre nicht eingeschaltet wurde.Probeweises Entfernen des RCL-Reset in 2010 ergab, dass das Problem vermutlichdurch Updates des Betriebssystems nicht mehr auftritt. Nach dem Entfernen des RCL-Reset und des erläuternden Begleittextes ist die Laborseite übersichtlicher geworden.RCL-Server können weiterhin über die Remote-Desktop-Software neu gestartet werden.II.3II.3.1RCLsInhalte und ZugangIn Tab. 1 sind die 17 RCLs des RCL-Portals einem Fachgebiet zugeordnet. Eignung undLehrplanbezug für Sekundarstufe I 35 oder II 36 oder die Eignung für die Hochschule sind angegeben.Weiterhin ist angegeben, ob das RCL ein innerphysikalisches, ein anwendungsoderalltagsorientiertes Thema behandelt:Nr. RCL FachgebietOnline seitMonat/Jahr1 Beugung und Interferenz I Wellenoptik 2006 x x x x2 Beugung und Interferenz II Wellenoptik 03/2009 x x x x3 Elektronenbeugung Quantenphysik 2002 x x x xEignung Sek. ILehrplan Sek. IEignung Sek. IILehrplan Sek. IIEignung HochschuleInnerphysikalischAnwendungsorientiertAlltagsorientiert3536Vgl. Lehrplan Biologie, Chemie, Physik für Rheinland-Pfalz – Sekundarstufe I, S. 185-203.Vgl. Lehrplan Gymnasium Physik für Rheinland-Pfalz – Sekundarstufe II, S. 35-49.

II RCL-PROJEKT 134 Fotoeffekt Quantenphysik 2005 x x x x5 Halbleiterkennlinien Elektronik 06/2006 x x x x x x6 Heißer Draht Robotik 2005 x7 Lichtgeschwindigkeit Elektromagnetische Wellen 2006 x x x x x x8 Maut Nachrichtentechnik 2005 x9 Millikan-Versuch Atomphysik 11/2006 x x x x10 Optische Computertomographie Informatik, Mathematik 01/2007 x x x11 Optische Fourier-Transformation Fourieroptik, Mathematik 06/2009 x x12 Oszilloskop Messtechnik 10/2006 x x x13 Radioaktivität Kernphysik 11/2006 x x x x x x x14 Roboter im Labyrinth Robotik 2003 x15 Rutherfordscher Streuversuch Kernphysik 01/2007 x x x x16 Weltpendel Mechanik 07/2008 x x x x17 Windkanal Mechanik 06/2006 x x x x x xRCLs in % 29 12 76 71 86 65 41 18Tab. 1:Inhaltliche Einordnung der RCLs des RCL-Portals.76 % der RCLs sind für die Sekundarstufe I oder II geeignet, wovon fast alle Themen derRCLs lehrplanrelevant sind. Der Anteil für die Hochschule geeigneter RCLs liegt mit 86 %etwas höher. Die Vielzahl der Fachgebiete zeigt die inhaltliche Breite der RCLs. Der größteAnteil von 65 % der RCLs behandelt innerphysikalische Themen.Abb. 5 zeigt einen Screenshot der Webseite des RCL-Portals nach Wahl des MenüpunktsRCLs. Die senkrechte Menüleiste enthält eine Übersicht der angebotenen RCLs. Informationenzum Zugang, zur Zugriffsdauer, zur Verfügbarkeit und zu Sprachversionen von RCLswerden gegeben:Abb. 5:RCLs des RCL-Portals und Informationen zum Zugang zu den RCLs.

II RCL-PROJEKT 14Beim Zeigen mit der Maus auf ein RCL in der Menüleiste werden ein Vorschaubild desRCLs, eine motivierende Aufforderung zum Lernen, der Standort und der Veröffentlichungszeitpunktdes RCLs präsentiert. Abb. 6 zeigt am Beispiel des RCLs Lichtgeschwindigkeit dieDarstellungsvarianten nach der Wahl des Menüpunkts Labor aus der Standard-Lernumgebung:Abb. 6: Zugang zu RCLs am Beispiel des RCLs Lichtgeschwindigkeit.Experimentiert kein anderer Besucher mit dem RCL (unbesetztes RCL) wird die Login-Seitedargestellt, mit dem Button "Experiment starten" wird die Login-Seite durch das Bedienfelddes RCLs (→ II.3.2, Abb. 7) ersetzt und der Besucher kann mit dem RCL experimentieren.Bei besetztem RCL wird die Wait-Seite dargestellt und die vom RCL abhängige maximaleZeit (zwischen 60 s beim RCL Elektronenbeugung und 240 s beim RCL Radioaktivität) biszum automatischen Ausloggen des aktuellen Besuchers heruntergezählt. Betätigt der aktuelleBesucher währenddessen im Bedienfeld des RCLs Buttons, wird auf der Wait-Seite nachdem Ablauf der Zeit wieder die maximale Zeit bis zum automatischen Ausloggen angezeigtund der wartende Besucher muss weiterhin warten. Im anderen Fall wird die Login-Seite angezeigtund der wartende Besucher kann das Bedienfeld des RCLs zum Experimentierenaufrufen. Es ist also immer gewährleistet, dass der aktuelle Besucher über die Besuchsdauerbestimmen kann und bei Beendigung des Experimentierens das RCL automatisch für andereBesucher frei gegeben wird. Wartende Besucher können in den Webcambildern die Aktivitätendes aktuellen Besuchers mitverfolgen.

II RCL-PROJEKT 15II.3.2 Laborseite und Standard-LernumgebungIn Abb. 7 ist am Beispiel des RCLs Lichtgeschwindigkeit die aus Webcam- und Bedienfeldbestehende Laborseite dargestellt. Webcam- und Bedienfeld haben folgende Struktur:Abb. 7:Menüleiste der Standard-Lernumgebung und Laborseite aus Webcam- und Bedienfeldbeim RCL Lichtgeschwindigkeit.• WebcamfeldIm Webcamfeld können ein oder zwei Webcambilder dargestellt sein. Hinweise zum verzögertenEinschalten von Geräten unterhalb der Webcambilder wie in Abb. 7 verhindern,dass Besucher das Experiment fälschlicherweise vorzeitig abbrechen oder als defekt ansehen.Mit einem Button für Screenshots von Webcambildern können visuelle Versuchsergebnissenwie z. B. das Oszillogramm in Abb. 7 festgehalten und mit entsprechendenGrafikprogrammen ausgewertet werden. Die Angabe von Daten zur Versuchsgeometrieund zu weiteren Versuchsparametern wie in Abb. 7 erlauben die Auswertung von Messergebnissenwährend des Experimentierens (→ III.1.7, ▪ Webcambilder).• BedienfeldIm oberen Teil wird die verbleibende Zeit bis zum automatischen Ausloggen angezeigt.Bei Betätigung eines Buttons im Bedienfeld wird diese Zeit auf die maximale Zeit bis zumautomatischen Ausloggen zurückgesetzt. Im mittleren Teil befinden sich die Bedienelementewie z. B. Links, Dropdown-Menüs, Buttons und Eingabefelder zur Durchführungdes Experiments. In Abb. 7 sind das Buttons zum Vergrößern, Verkleinern und Messender Reflektordistanz.Im unteren Teil ist bei den RCLs Fotoeffekt, Radioaktivität, Rutherfordscher Streuversuch,Optische Fourier-Transformation, Beugung und Interferenz I und II eine automatisiertemechanische Neujustierung des Versuchs durchführbar. Bei den RCLs Oszilloskop undHalbleiterkennlinien kann der Versuch elektrisch zurückgesetzt, beim RCL Beugung und

II RCL-PROJEKT 16Interferenz II können Messdaten heruntergeladen und graphisch dargestellt werden. InAbb. 7 können für eine optimale Genauigkeit der Zeitmessung mit den Buttons zum Öffnenund Schließen von Blenden die Signale auf gleiche Höhe gebracht werden.Alle Laborseiten von RCLs sind Teil einer einheitlich strukturierten Standard-Lernumgebung.Die Standard-Lernumgebung ist ein an die Nutzung im Internet angepasster Ablauf vonHochschulpraktika und besteht wie in Abb. 7 dargestellt aus den Menüpunkten Einstieg, Aufbau,Theorie, Aufgaben, Labor, Auswertung, Diskussion, Material und Betreuung. Einheitlichkeitund Bekanntheitsgrad der Struktur sollen den Einsatz in der Lehre erleichtern und dieAkzeptanz erhöhen. Inhalte und Materialien orientieren sich an Lehrbüchern, Praktikumsliteratur,Staatsexamensarbeiten und am Wissen von Mitgliedern der Arbeitsgruppe.Die Standard-Lernumgebungen wurden von Schülern des Summercamps, Staatsexamenskandidatenoder von Mitgliedern der Arbeitsgruppe erstellt. Texte wurden für den Einsatz imInternet möglichst komprimiert und dennoch verständlich formuliert. Auswahl, Umfang undRichtigkeit von Inhalten wurden vor der Veröffentlichung durch Mitglieder der Arbeitsgruppekontrolliert und gegebenenfalls Texte überarbeitet.Tab. 2 informiert über den in DIN-A4-Seiten gemessenen Umfang der deutschen Standard-Lernumgebungen von RCLs des RCL-Portals ohne die Webseite Betreuung und über verfügbarePortalsprachen:WebseitePortalspracheNr.RCLEinstiegAufbauTheorieAufgabenLaborAuswertungDiskussionMaterialGesamtDeutschEnglischItalienischFranzösisch1 Optische Computertomographie 0,5 1 37,5 2 1 - 1 0,5 43,5 x x2 Beugung und Interferenz II 0,5 3,5 11 2 1 2,5 1 1 22,5 x x x3 Halbleiterkennlinien 0,5 1 13 1 1 4 1 0,5 22 x x4 Radioaktivität 1 2 8 1 1 6 1 1 21 x x x x5 Optische Fourier-Transformation 0,5 3 10 1,5 1 2,5 1 1 20,5 x x6 Rutherfordscher Streuversuch 0,5 1,5 9 1 1 4 1 1 19 x x x x7 Weltpendel 0,5 2,5 8,5 0,5 1 1,5 1 1 16,5 x x8 Millikan-Versuch 0,5 1 4 0,5 1 3 1 1 12 x x x9 Beugung und Interferenz I 0,5 1,5 3 1 1 3 1 1 12 x x x10 Lichtgeschwindigkeit 0,5 1,5 4 0,5 1 2,5 1 0,5 11,5 x x x11 Windkanal 0,5 4 2,5 0,5 1 1,5 1 0,5 11,5 x x12 Oszilloskop 0,5 1 4,5 0,5 1 2 1 0,5 11 x x x13 Elektronenbeugung 0,5 1 3 0,5 1 1,5 1 0,5 9 x x x x14 Fotoeffekt 0,5 1,5 1,5 0,5 1 2 1 0,5 8,5 x x x15 Maut 0,5 0,5 1 - 1 - 0,5 1 4,5 x x x x16 Heißer Draht 0,5 0,5 1 - 1 - 0,5 0,5 4 x x17 Roboter im Labyrinth 0,5 1 0,5 - 1 - - - 3 x xSumme der Seiten 9 28 122 13 17 36 15 12 252 17 17 10 4Mittlere Anzahl von Seiten 0,5 1,6 7,2 0,8 1,0 2,1 0,9 0,7 14,8Anteil der Webseite in % 3,6 11,1 48,4 5,2 6,7 14,3 5,9 4,8 100,0Tab. 2:Umfang der deutschen Standard-Lernumgebung von RCLs des RCL-Portals inDIN-A4-Seiten und verfügbare Portalsprachen.

II RCL-PROJEKT 17Insgesamt werden mehr als 250 Seiten an Standard-Lernumgebung mit durchschnittlich 15Seiten/RCL angeboten. Die Schwankung der Seitenzahl von Standard-Lernumgebungen istauf die Theorieseite zurückzuführen. Deren Umfang hängt von der Komplexität des RCLsund der Ausführlichkeit mit der physikalisches Grundlagenwissen dargestellt wird ab. Die mitAbstand höchste Seitenzahl der Standard-Lernumgebung des RCLs Optische Computertomographieresultiert aus fast 30 zusätzlichen Seiten zur Physik, Mathematik, Informatik undMedizintechnik in der Computertomographie. Ursprünglich war dieses Informationsmaterialals begleitendes Tutorial (→ VI.2.5) geplant.Theoretische und experimentelle Inhalte werden ausgewogen angeboten: Durchschnittlichentfallen auf die Theoriewebseite und die halbe Diskussionswebseite mit theoretischen Fragestellungenungefähr 51 % der Seiten, auf die experimentellen Webseiten Aufbau, Aufgaben,Labor, Auswertung und die andere halbe Diskussionswebseite entfallen ungefähr 40 %der Seiten. Von den Standard-Lernumgebungen sind 3 viersprachig, 7 dreisprachig und 7zweisprachig verfügbar.II.4 RCL-RecherchenInternet-Recherchen zum weltweiten Bestand von RCLs und zum Zugang zu RCLs werdenim Folgenden als RCL-Recherchen bezeichnet. RCL-Recherchen im Rahmen von Staatsexamensarbeiten37,38 ergaben in 2005 ungefähr 70 RCLs, in 2006 ungefähr 120 RCLs sowieErgebnisse zum Zugang zu RCLs. 39 In der hier vorgestellten, umfassendsten RCL-Recherche vom April 2010 wurden eine Vielzahl an Bestands- und Zugangsmerkmalen von335 RCLs erfasst.II.4.1 MethodeZuerst wurden Linklisten von RCLs in beiden Staatsexamensarbeiten überprüft. Danachwurde auf zwei Weisen nach RCLs recherchiert:• Direkte Suche von RCLs mit der Suchmaschine Google 40 . Eine Kombination aus einemtechnischen (remote, web, internet) und einem didaktischen (laboratory, laboratories, experiment)Anteil im Suchbegriff lieferte die besten Suchergebnisse.• Indirekte Suche von RCLs über Konferenzbeiträge und Zeitschriftenartikel. In GoogleScholar 41 wurden überwiegend Konferenzbeiträge gefunden. Zeitschriftenartikel wurden37383940Vgl. König 2005, S. 96-105.Vgl. Zorn 2006, S. 11-23, 75-78.Vgl. Gröber 2007a, S. 129-130.Vgl. Google.

II RCL-PROJEKT 18mit einer auf den Zeitraum 1994 - 2010 eingegrenzten Titelsuche auf den Rechercheseitender Zeitschriften recherchiert. Bei Zeitschriften mit wenigen Artikeln, wurden die Titelder Artikel für eine treffsicherere Suche manuell durchsucht. Anschließend wurden Angabenin den Konferenzbeiträgen und Zeitschriftenartikeln zum RCL wie Internetadresse,Anbieter und Bezeichnung für die Suche nach RCLs mit Google verwendet.Tab. 3 zeigt eine Übersicht zur Ergiebigkeit von Zeitschriften bei der Suche nach RCLs:Zeitschriftenmit vielen Artikeln zu RCLs• European Journal of Physics(EJP)• International Journal of OnlineEngineering (iJOE)• IEEE Transactions on Education(TE)• IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement(TIM)• IEEE Transactions on LearningTechnologies (TLT)Zeitschriftenmit wenigen Artikeln zu RCLs• The Physics Teacher (TPT)• Physics Education (PE)• Praxis der Naturwissenschaften - Physik in derSchule (PdN-PhiS)• Computers and Education (CE)• American Journal of Distance Education (AJ-DE)• American Journal of Physics (AJP)• Tagungs-CDs der DPG Frühjahrstagungen,Fachverband Didaktik der PhysikZeitschriftenmit keinen Artikeln zu RCLs• Science Education (SE)• Science & Education (S & E)• European Journal of Open, Distanceand E-Learning (EJPODE)• Journal of Research in ScienceTeaching (JRS)• Journal of Science Education andTechnology (JSET)Tab. 3:Durchsuchte Zeitschriften mit vielen, wenigen und keinen Artikeln zu RCLs.Durchsucht wurden schul- und hochschulorientierte Physik-Zeitschriften für die Lehre, Zeitschriftenfür die Fernlehre und ingenieurwissenschaftliche Lehre sowie Wissenschaftszeitschriften.Ein Teil der Zeitschriften wurde anhand einer Sammlung von Artikeln bis 2006ausgewählt 42 , weitere Zeitschriften wurden anhand des Zeitschriftentitels ausgewählt. EinAnteil von ungefähr 90 % der weltweit im Internet verfügbaren oder publizierten RCLs wurdeaus folgenden Gründen erfasst:• Hohe Anzahl und Vielfalt der durchsuchten Zeitschriften• Die indirekte Suche liefert auch verstecktere und nicht mehr im Internet verfügbare RCLs• Google Scholar liefert eine Vielzahl von nur in Konferenzbeiträgen publizierten RCLs• Links zu weiteren RCLs im Literaturverzeichnis von Konferenzbeiträgen und Zeitschriftenartikelnzu RCLs wurden geprüft• Bei nicht zielführendem Link zum RCL wurden die Oberverzeichnisse der Website durchsucht.Die direkte Suche ergab keine RCLs zur Biologie und nur zwei RCLs zur technischen Chemiean einer kanadischen Hochschule. RCLs zur Administration von Netzwerken und zumErlernen von Hardware-Programmierung wurden nicht erfasst. Tab. 5 zeigt exemplarisch an4142Vgl. Google Scholar.Artikelsammlung von B. Eckert.

II RCL-PROJEKT 19einem RCL die in einer Tabelle (→ Anhang X.5) erhobenen Datensätze mit Bestands- undZugangsmerkmalen:BestandsmerkmaleZugangsmerkmaleProjekt Anbieter RCL Allgemein RCLIDNationales/InternationalesProjektLokalesProjektLandHochschuleHochschulformArbeitsgruppeThemaArtikelGebietTeilgebietJahrSchuleignungStandard-LernumgebungWebseite existiertSprachen LaborseiteGastzugangRegistrierung/AnmeldungNutzerkreis eingeschränktPersönliche AngabenBuchungLink defektLinksucheTestfragenLadezeit langSoftwareinstallationStatusangabe5OpenLabs ElectronicsLaboratorySwedenBlekinge Instituteof TechnologyIDepartmentof SignalProcessingElectronicLaboratoryiJOEProProProProProEl Ae 1999 0 0 x En x x x LV xTab. 4:Datensatz zur Erhebung von Bestands- und Zugangsmerkmalen von RCLs.Über die ID in Tab. 5 ist jedes RCL identifizierbar. Links zu Projektwebseiten, zur anbietendenHochschule, zur Arbeitsgruppe, zum RCL (Thema) und zu Artikeln zum RCL erlaubennachträgliche Überprüfungen und Korrekturen der Angaben. In Einzelfällen wurden mehrerekleine RCLs zur Elektronik eines Anbieters als ein RCL gezählt, um die Vergleichbarkeit mitz. B. einem RCL zur Elektronenmikroskopie zu gewährleisten. Eine mehrfache Erfassungvon RCLs ist durch die Vielzahl der Merkmale mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen.Tab. 5 erläutert die Bestandsmerkmale und Abkürzungen in der Tabelle, Zugangsmerkmalewerden beim Qualitätskriterium Barrierefreiheit (→ III.1.2, Tab. 11) erläutert:ProjektAnbieterRCLBestandsmerkmalNationales/InternationalesProjektLokales ProjektLandHochschuleHochschulformArbeitsgruppeThemaArtikelGebiet und TeilgebieteErläuterung• RCLs werden fast ausschließlich im Rahmen nationaler (Kooperation mehrerer Hochschuleneines Landes) oder internationaler (Kooperation zwischen Hochschulen mehrerer Länder)Projekte finanziert und entwickelt• Angegeben sind Name und Abkürzung des Projekts• Ein lokales Projekt ist ein Projekt an einer Hochschule. Dieses kann ein eigenständigesProjekt oder ein Teilprojekt eines nationalen oder internationalen Projekts sein• Angegeben sind Name und Abkürzung des Projekts• Angegeben ist das Land der anbietenden Hochschule• Angegeben sind Name und Abkürzung mit Link zur anbietenden Hochschule• Angegeben sind die Hochschulformen Institut (I), Universität (U), Technische Universität(TU) und Fachhochschule (UAS)• Kleinste institutionelle Einheit an der Hochschule, die das RCL entwickelt hat• Angegeben ist der Name mit Link zur Arbeitsgruppe• Angegeben ist Bezeichnung des RCLs mit Link zum RCL• Angegeben sind Abkürzungen der Zeitschriftentitel mit Links zu RCL-Artikeln 43• In Word zeigt der Link beim Mausover den ersten Autor und den Titel des Artikels an• Einordnung des Themas in ein Gebiet und Teilgebiet anhand der Bezeichnung des RCLs,Informationen auf der RCL-Website und Artikeln• Gebiet Steuern und Regeln (Ce) mit Teilgebieten Robotik (Ro), Position/Geschwindigkeit(Po), Pegel/Fluss (Fs), Anlage (Pl), Elektromotoren (Mo), Wärmemenge/Temperatur (T),43Artikel in elektronischer Form bei S. Gröber.

II RCL-PROJEKT 20JahrSchuleignungStandard-LernumgebungMechanische Schwingungen (Ms), Pneumatik/Hydraulik (Pr), Elektrische Größen (El)• Gebiet Elektronik (El) mit Teilgebieten Analoge Elektronik (Ae), Digitale Elektronik (De),Kennlinien (Ch), Messtechnik (M)• Gebiet Mechanik (Me) mit Teilgebieten Akustik (Ac), Strömungen (St), Schwingungen(Ms), Verformungen (Em), Kinematik (Ki), Messungen (M)• Elektrodynamik (Ed) mit Teilgebieten Elektromagnetische Wellen (Ew), Geometrische OptikOp), Magnetostatik (Ms), Elektrostatik (Es)• Gebiet Instrumente mit Teilgebieten Spektroskopie (Sp), Teleskopie (Te), Mikroskopie (Mi)• Gebiete ohne Teilgebiete sind Atomphysik (Ap), Teilchenphysik (Pp), Thermodynamik (T),Nuklearphysik (Np), Festkörperphysik (Sp), Quantenphysik (Qp), Chaos (Ch)• Bei verfügbarem Artikel zum RCL ist das Erscheinungsjahr des Artikels angegeben, ansonstenwurden falls verfügbar Jahresangaben auf der Website des RCLs angegeben• Die Unsicherheit der Jahresangabe beträgt aufgrund von Unterschieden zwischen Fertigstellung,Veröffentlichungim Internet und Publikation eines RCLs ungefähr 1 Jahr• Angaben zur Dauer der Veröffentlichung von RCLs im Internet konnten wegen fehlenderInformationen nicht gemacht werden• Einschätzung der Eignung des RCLs für Sekundarstufe I oder II anhand von Lehrplänen,einem Standard-Schulbuch der Sekundarstufe II 44 und Erfahrungen aus der Schulpraxis• Angegeben ist ungeeignet für Schule bzw. geeignet für Einsatz in der Hochschule (0), geeignetfür Standardunterricht in der Schule (1) und geeignet für vertiefenden Unterricht o-der Projekt in der Schule (2)• Angegeben ist, ob Standard-Lernumgebung fehlt (0) oder aus Versuchsaufbau (1), Versuchsaufbauund Theorie (2) oder Versuchsaufbau, Theorie und Aufgaben (3) bestehtTab. 5: Erläuterung der Bestandsmerkmale in Tab. 5.II.4.2 Ergebnisse zum RCL-BestandEs werden Ergebnisse zu Hochschulen als Anbieter von RCLs, zur Anzahl der RCLs/Land,zur jährlichen Anzahl neuer RCLs, zur Häufigkeit themengleicher RCLs, zu Gebieten undTeilgebieten der Themen von RCLs und zur Anzahl schulgeeigneter RCLs präsentiert:• Anbietende HochschulenAbb. 9 zeigt, dass Universitäten die meisten und Fernuniversitäten die wenigsten RCLsanbieten. Abb. 10 ist aussagekräftiger, da es weltweit z. B. wesentlich weniger Universitätenwie Fernuniversitäten gibt:Abb. 8: Verteilung der RCLs nach Hochschulform(N = 335).Abb. 9: Verteilung der RCLs pro Hochschulenach Hochschulform (N = 144).44Vgl. Grehn 2007.

II RCL-PROJEKT 21Technischen Universitäten bieten mit Abstand gegenüber den anderen Hochschulformendie meisten RCLs/Hochschule an, weil dort mehr technisches Know-how in den Ingenieurdisziplinenfür die Entwicklung von RCLs vorhanden ist. Drei Fernuniversitäten bietenin etwa gleich viele RCLs/Hochschule unter den weiteren Hochschulformen an, weil RCLsfür die Fernlehre von besonderer Bedeutung sind (→ VIII.3.4.3). Die auf Deutschland beschränktenFachhochschulen bzw. Hochschulen haben im weltweiten Vergleich mit 2,5RCLs/Hochschule einen großen Beitrag zum Bestand an RCLs geleistet. Das RCL-Projekt ist ein typisches, von einer Technischen Universität getragenes Projekt.• Anzahl der entwickelten RCLs/HochschuleAbb. 11 zeigt wie sich 328 RCLs von 144 Hochschulen mit durchschnittlich 2,3RCLs/Hochschule auf die Anzahl entwickelter RCLs verteilen:Abb. 10: Verteilung der Hochschulen nach der Anzahl entwickelter RCLs (N = 144).59 % (85) der Hochschulen haben ein, 13 % (19) zwei und 9 % (13) drei RCLs entwickelt.Mehr als 10 RCLs haben die Technische Universität Berlin (12), die Universität Porto (13)und die Technische Universität Kaiserslautern (17) entwickelt. Die Verteilung zeigt denhohen Entwicklungsaufwand von RCLs, weil nur ein geringer Anteil von HochschulenRCLs in "Serienproduktion" entwickelt hat. Die Abbruchquote von fast 60 % nach derEntwicklung eines RCLs resultiert wahrscheinlich aus dem Bedürfnis an der Entwicklungeines attraktiven Mediums mitzuwirken, aber den Entwicklungsaufwand unterschätzt zuhaben. Im gesamten RCL-Projekt wurden 25 RCLs entwickelt (→ I.1.1, Abb. 3) und esstehen weltweit die meisten RCLs im Internet bereit.

II RCL-PROJEKT 22• Anzahl der RCLs pro LandAbb. 12 zeigt die Verteilung entwickelter RCLs nach dem Land der Hochschule:Abb. 11: Verteilung der RCLs nach dem Land der Hochschule (N = 335).An deutschen und amerikanischen Hochschulen wurde fast die Hälfte des weltweiten Bestandsan RCLs entwickelt. Mit Anteilen unter 7 % folgen mit Abstand die restlichen Länder.Da sich unter den 10 vordersten Anbieterländern 7 europäische Länder befinden, ist nachAbb. 12 Europa der mit Abstand führende Anbieter von RCLs vor Nordamerika. Eine Ursachedafür könnte die Vielzahl von Förderprogrammen und Projekte der EuropäischenUnion sein. Ärmere Kontinente wie Südamerika und Afrika, die am meisten von RCLs wegenfehlender experimenteller Infrastruktur profitieren könnten, nahmen bisher nicht ander Entwicklung von RCLs teil (→ VIII.3.4.1, ▪ RCL-Fernpraktika für die Dritte Welt).Abb. 12: Verteilung der RCLs nach dem Kontinent derHochschule (N = 335).

II RCL-PROJEKT 23• Jährliche Anzahl neuer RCLsIn Abb. 14 ist die jährliche Anzahl neuer RCLs für alle Länder, Deutschland, USA und Europaohne Deutschland in der Zeit zwischen 1994 und April 2010 dargestellt:Abb. 13: Verteilung neuer RCLs zwischen 1994 und April 2010 (N = 335).Die jährliche Anzahl neuer RCLs aller Länder nimmt nach einem wellenförmigen Aufwärtstrendmit drei Maxima in den Jahren 1995, 2002 und 2005 nach 2005 mit ungefähr 9RCLs/Jahr ab. Das erste Maximum wird fast vollständig, die weiteren Maxima nur noch zueinem wesentlich kleineren Anteil durch die USA getragen. Nach 2005 werden fast keineRCLs mehr in den USA entwickelt.Der Anteil Deutschlands am zweiten Maximum ist größer als am dritten Maximum. Zumdeutschen Maximum in 2007 tragen mehrheitlich 8 RCLs der Technischen UniversitätBerlin und 5 RCLs der Technischen Universität Kaiserslautern bei. Das dritte Maximumwird im Wesentlichen von europäischen Ländern - Deutschland ausgenommen - getragen.Die Entwicklung von RCLs wurde von den USA über Deutschland in weitere europäischeLänder getragen. Gründe der Abnahme von RCLs nach 2005 sind vermutlich, dassHochschulen die Entwicklung von RCLs als abgeschlossen ansehen oder dass die EuropäischeUnion zeitweise ihre Förderungsrichtlinien verändert hat.Eine Sortierung der RCLs in der Tabelle zur RCL-Recherche (→ Anhang X.5) nach denBestandsmerkmalen Hochschule und Jahr zeigt, dass das RCL-Projekt weltweit die längsteLaufzeit hat.

II RCL-PROJEKT 24• Themen von RCLsAbb. 15 zeigt die Verteilung der Themen von RCLs nach Wissenschaften, Gebieten undTeilgebieten:Abb. 14: Verteilung der Themen von RCLs nach Gebieten und Teilgebieten (N = 332).Fast zwei Drittel der RCLs entfallen auf die Technik als Ingenieurwissenschaft, ungefährein Drittel auf die Physik als Naturwissenschaft. Im Vergleich zur RCL-Recherche in2006 45 hat sich der Anteil an RCLs zur Physik nicht verändert. Die Technik wird hauptsächlichgetragen von RCLs zur Regelungstechnik und Mechatronik und einem Anteil von26 % zur Robotik. Werden nur die letzten 4 Jahre in die Auswertung einbezogen, dann istder Anteil Physik-RCLs aufgrund des Rückgangs von RCLs zur Robotik höher.Ein Anteil von über 50 % an Physik-RCLs zur Mechanik und Elektrodynamik entsprichtder Bedeutung dieser Grundlagengebiete in der Schule und im Grundstudium der Physik.Ein hoher Anteil von fast 20 % der Physik-RCLs entfällt auf Instrumente zur Spektroskopie,Teleskopie und Mikroskopie. Weitere und weiterführende Gebiete wie z. B. Festkörperphysik,Teilchenphysik und Quantenphysik tragen insgesamt mit 30 %, im Durchschnittjedes Gebiet aber nur mit 4 % zu den Physik-RCLs bei. Es besteht ein Entwicklungsbedarfvon RCLs in moderner Physik. Mit 2 RCLs (15 %) zur Mechanik und 6 RCLs (47 %)zur modernen Physik von 13 RCLs zur Physik (→ I.3.1, Tab. 1) kommt das RCL-Projektdiesem Entwicklungsbedarf nach.• Themengleiche RCLsZu mehreren Themen wurden mehrere gleiche oder ähnliche RCLs entwickelt: 17-malRegelung des Pegels und Flusses zwischen Wasserbehältern, 16-mal Kennlinien elektronischerBauteile, 5-mal Inverses Pendel, 4-mal Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, 4-45Vgl. Gröber 2007a, S. 129.

II RCL-PROJEKT 25mal Magnetische Hysterese, 4-mal Beugung von Licht an Gittern, 4-mal Oszilloskop, 3-mal Michelson-Interferometer und 3-mal Wetterstation. Vermutlich haben nicht alle Anbietereine Recherche nach bereits entwickelten RCLs durchgeführt oder wollten ein verbessertesRCL mit eigener technischer Lösung anbieten.• Schulgeeignete RCLsTab. 6 zeigt differenziert nach den Gebieten aus Abb. 14 den Anteil für den Standardunterrichtund zur Vertiefung oder für Projekte geeigneter RCLs:RCLs für Standardunterrichtin %RCLs zur Vertiefungoder Projekte in %Tab. 6:Steuern undRegelnElektronikMechanikElektrodynamikWeitereGebieteInstrumenteGesamt0 14 42 70 31 9 400 29 16 10 46 32 26Anteile der Gebiete von in Sekundarstufe I oder II einsetzbaren RCLs.Steuern und Regeln auf dem Niveau der angebotenen RCLs sind keine Inhalte der Realschuleund generell keine Inhalte der Sekundarstufe II. Speziell RCLs zur Robotik sind imStandardunterricht und zur Vertiefung in der Sekundarstufe II und auch in der Realschuleungeeignet. In der Realschule werden sinnvollerweise Wahlkurse zur Robotik mit Bausätzenvon FischerTechnik angeboten. 46 Für den Standardunterricht entfallen die größtenAnteile auf die Elektrodynamik und Mechanik. Entwicklungsbedarf von RCLs für denStandardunterricht besteht auf dem Gebiet Elektronik. Über alle Gebiete gemittelt sind 40% der RCLs im Standardunterricht und 26 % der RCLs als Vertiefung im Unterricht oderzum Einsatz in Projekten geeignet. Alle genannten Anteile sind eine Abschätzung nachoben, weil die Schuleignung aus Gründen des Aufwands nur anhand des Themas undohne Prüfung der Qualität der RCLs erfolgte. Ein überdurchschnittlicher Anteil von 76 %der RCLs des RCL-Projekts sind für die Schule geeignet (→ I.3.1, Tab. 1).II.5 Evaluation des RCL-PortalsII.5.1 MethodenMit Besucher-Tracking wird im Folgenden die Datenerfassung der Aktivitäten von Besuchernauf Webseiten von RCLs verstanden. 47 Eingesetzt wurden Logdateien zum Erfassen der Aktionenvon Besuchern auf der Laborseite und das Webanalysetool Google Analytics 48 zumBesucher-Tracking der Standard-Lernumgebung:464748Vgl. z. B. Wahlunterricht Robotik an der Wittelsbacher Realschule.Vgl. Reese 2009, S. 12.Vgl. Google Analytics, Zugriff nach Anmeldung.

II RCL-PROJEKT 26• Besucher-Tracking der Laborseite von RCLs mit LogdateienStandardmäßig werden Zugriffe auf Server in einer Server-Logdatei festgehalten. Damitwerden zwar viele, aber wenig relevante Besucherdaten zum Experimentieren mit RCLsfestgehalten. Deshalb wurden die Laborseiten von RCLs so programmiert, dass Aktionenvon Besuchern im Bedienfeld in einer Logdatei gespeichert werden. Die Logdatei kannentweder in einem Browser geöffnet 49 und gespeichert oder per Fernzugriff (← II.2.2,▪ Fernzugriff auf RCL-Server und RCL-Portalserver) vom RCL-Server heruntergeladenwerden. Abb. 16 zeigt am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung den Zusammenhangzwischen Aktionen im Bedienfeld der Laborseite und der Logdatei des RCLs:Abb. 15: Zusammenhang zwischen Aktionen auf der Laborseite desRCLs Elektronenbeugung und Speicherung in einer Logdatei.Zeilenweise werden Datum, Uhrzeit, IP-Adresse und Aktion (ACTION) des Besuchers erfasst.Aus Datum, Uhrzeit und IP-Adresse kann die Anzahl der Besuche in einem bestimmtenZeitraum gezählt werden. Besuche unter den IP-Adressen der Arbeitsgruppeund der Lokalhost-Adresse 127.0.0.1 auf dem RCL-Server dürfen nicht mitgezählt werden.Die Entwicklung von Besucherzahlen von RCLs kann so untersucht werden (→II.5.2).Beim Aufrufen der Laborseite mit "Experiment starten" (← II.3.1, Abb. 6) wird die Aktion"Init", beim Verlassen die Aktion "timeout" gespeichert. Die Aktionen "RöhreAn" und"Spannung 4.3" halten das Einschalten der Elektronenbeugungsröhre und das Einstelleneiner Beschleunigungsspannung von 4,3 kV fest. Anhand der Folge von Aktionen können49http://xxx.xxx.xxx.xxx/Labor/privat/log.txt mit xxx.xxx.xxx.xxx als IP-Adresse des RCLs.

II RCL-PROJEKT 27Aussagen über das Experimentieren von Besuchern mit RCLs und die Qualität der RCLsgetroffen werden (→ III.2.2).• Besucher-Tracking der Standard-Lernumgebung von RCLs mit Google AnalyticsGoogle Analytics ist ein kostenloses Webanalysetool im Internet. Eine große Anzahl vonKenngrößen der Besucherströme wie z. B. Besucher/Tag, Seitenaufrufe/Tag können aufmaximal 50 Servern gleichzeitig erfasst werden. 50 Dazu wird auf der Webseite von GoogleAnalytics in einem sogenannten Konto jedem RCL ein Profil zugewiesen und auf denRCL-Servern ein Tracking-Code in alle Webseiten der Standard-Lernumgebung eingefügt.51 Besucherdaten sind dann mit maximal einem Tag Verzögerung auf der Webseitevon Google Analytics verfügbar. Zugriffe auf RCLs über IP-Adressen der Arbeitsgruppewerden mit Hilfe von Filtern nicht erfasst.Google Analytics bietet die Möglichkeit eines Benchmarking: Kenngrößen des eigenenKontos mit den Standard-Lernumgebungen der 13 RCLs können für wählbare Zeiträumemit gleichen Kenngrößen der Konten anderer Nutzer von Google Analytics verglichenwerden. Dazu müssen die Daten des eigenen Kontos durch Zuordnung in die KategoriePhysik für andere Nutzer des Benchmarking freigegeben werden. In jeder Kategorie befindensich mindestens 100 Konten vergleichbaren Datenumfangs, die den Branchendurchschnittrepräsentieren. Die Qualität der Standard-Lernumgebungen von RCLs kannso mit einem Benchmarking beurteilt werden (→ II.5.3).II.5.2 Besucherzahlen von RCLsFür die Zeiträume 01.07.2002 - 28.06.2006 (4 Jahre mit großen zeitlichen Lücken, 4RCLs) 52 , 01.08.2006 - 30.11.2006 (4 Monate, 10 RCLs) 53 und 01.12.2006 - 02.06.2007 (6Monate, 10 RCLs) 54 liegen Besucherzahlen nur für unzusammenhängende Zeiträume undnicht alle RCLs vor. Um die Entwicklung der Besucherzahlen über einen größeren, zusammenhängendenZeitraum zu untersuchen, wurden Logdateien von RCLs zwischen September2005 und Januar 2011 ausgewertet. Die monatlichen Besuche wurden gezählt, auf Besuche/Tagumgerechnet und dem Monat zugeordnet (→ Anhang X.6).5051525354Vgl. Aden 2009, S. 101.Vgl. Aden 2009, S. 65-66.Vgl. Gröber 2007a, Tab. 2, S. 138.Vgl. Knecht 2007, S. 21-25.Vgl. Bender 2008, S. 7-17.

II RCL-PROJEKT 28Abb. 17 zeigt den summierten zeitlichen Verlauf der Besuche/Tag der 20 RCLs (16 RCLsund 4 RCLs des Weltpendels) des RCL-Portals (schwarzer Graph mit Quadraten) undexemplarisch den Verlauf der Besuche/Tag des RCLs Elektronenbeugung (schwarzer Graphmit Dreiecken):Abb. 16: Besuche/Tag der RCLs des RCL-Portals und des RCLs Elektronenbeugung.Die langfristige, mehrjährige Entwicklung der Besuche/Tag aller oder einzelner RCLs kannmit Regressionsgeraden (gestrichelte schwarze Geraden in Abb. 17) beschrieben werden:• Entwicklung der Besuche/Tag des RCL-PortalsDie Besuche/Tag haben durch Zunahme der Anzahl von RCLs und durch Zunahme derBesuche einzelner RCLs um ungefähr 14 Besuche/Tag im Jahr zugenommen. In den etwasmehr als 5 Jahren wurden ungefähr 85000 Besuche von RCLs registriert, davon ungefähr25000 Besuche in 2010.• Entwicklung der Besuche/Tag einzelner RCLsDie Besuche/Tag des exemplarisch in Abb. 16 eingetragenen RCLs Elektronenbeugunghaben durchschnittlich um 1,4 Besuche/Tag im Jahr zugenommen. In Abb. 17 ist von den17 RCLs (RCL Weltpendel als ein RCL) für den Zeitraum seit der Veröffentlichung desRCLs die Änderung der Besuche/Tag in einem Jahr über dem Mittelwert der Besuche/Tagaufgetragen:

II RCL-PROJEKT 29Abb. 17: Charakterisierung der Besuche einzelner RCLs durch Mittelwert derBesuche/Tag und Änderung der Besuche/Tag in einem Jahr im Veröffentlichungszeitraum.Die RCLs Heißer Draht und Maut haben die niedrigsten Mittelwerte der Besuche/Tag wegenlängerem Fehlen einer Internetverbindung am Standort. Der höchste Mittelwert desRCLs Millikan-Versuchs von 6,2 Besuche/Tag zeigt die gute Wahl des Versuchs als RCL:Trotz Informationen zur Funktionsuntüchtigkeit des RCLs seit ungefähr 2 Jahren rufenBesucher die Laborseite des RCLs auf. Ein Zuwachs an Besuchen/Tag wird wegen derFunktionsuntüchtigkeit nicht erzielt.Die sehr gut konzipierten RCLs Optische Fourier-Transformation (→ IV.2.7) und Beugungund Interferenz II (→ III.2.1) erzielen nur kleine Mittelwerte an Besuchen/Tag, weil die Positionierungder Beugungsobjekte instabil ist. Beim RCL Optische Fourier-Transformationkommen weitere Gründe dazu (→ IV.3, ▪ RCL Optische Fourier-Transformation).Sieben RCLs mit bis zu -0,7 Besuche/Tag im Jahr (RCL Oszilloskop) haben nur durch dieIntegration ins RCL-Portal zur Steigerung der Besuche/Tag des RCL-Portals beigetragen.Die restlichen 10 RCLs haben zusätzlich mit Steigerungen bis zu 2,8 Besuchen/Tag imJahr (RCL Weltpendel) zur Steigerung der Besuche/Tag des RCL-Portals beigetragen.Kurzfristige, monatliche Änderungen der Besuche/Tag des RCL-Portals haben folgende Ursachen:• Deutsche Ferienzeiten im Juli, Dezember und März/April erzeugen unterschiedlich starkausgeprägte Minima (grüne Messpunkte in Abb. 16). Dies zeigt, dass RCLs in deutschenSchulen in der Lehre eingesetzt werden. Vom Lehrplan und von der Fachsystematik abhängigeZeiten von Unterrichtsthemen beeinflussen ebenso die Anzahl der Besuche/Tag.• RCL-Fortbildungen (→ VII.3) mit Zugriffen einer Gruppe von Lehrkräften auf alle RCLs aneinem Tag erklären die Maxima bestimmter Monate (gelbe Messpunkte in Abb. 16).Kurzfristige, monatliche Änderungen der Besuche/Tag einzelner RCLs haben folgende Ursachen:

II RCL-PROJEKT 30• Deutsche Zeitschriftenartikel (→ VII.1) und Beiträge auf dem Schulportal Lehrer-Online(→ VII.2) haben unmittelbar nach der Veröffentlichung nicht zu einer Erhöhung der Besuche/Taggeführt. Bei einigen RCLs lag der Veröffentlichungszeitpunkt in den Schulferien,das RCL war noch nicht online oder voll funktionsfähig verfügbar. Auch die Veröffentlichungneuer RCLs auf dem RCL-Portal führt nicht aufgrund eines Neuigkeitseffekts zu einemsprunghaften Anstieg der Besuche/Tag.• Über längere Ausfälle der Internetverbindung wie z. B. bei den RCLs Maut und HeißerDraht wurden Besucher informiert (→ II.3.1, Abb. 5). Obwohl die Zahl der Besuche dannsofort auf null geht, sinkt die monatlich gemittelte Zahl der Besuche/Tag einzelner RCLswie in Abb. 17 nicht auf null, weil die meisten Ausfälle der Internetverbindung in wenigerals einer Woche beseitigt werden konnten.• Besucher des RCL-Portals wurden über eine eingeschränkte Funktionalität von RCLs informiert(→ II.3.1, Abb. 5), die Laborseite des RCLs konnte jedoch noch aufgerufen werden.Weil nicht alle Besucher solche Hinweise lesen, sinkt z. B. in Abb. 17 zwischen Februarund Juni 2009 trotz Funktionsuntüchtigkeit der Elektronenbeugungsröhre die Anzahlder Besuche/Tag nur wenig ab. Nach der Reparatur und einem besser als im traditionellenRealexperiment vermessbaren Beugungsmuster, nimmt die Anzahl der Besuche/Tagstetig bis zum Maximum im November 2009 zu.Die mittelfristige, jährliche Entwicklung der Besuche/Tag des RCL-Portals ist abhängig vonder Zahl ins RCL-Portal integrierter RCLs (blaue Balken in Abb. 17) und dem Anteil defekterRCLs (roter Graph in Abb. 17). Es lassen sich vier Zeitabschnitte unterscheiden:• Startphase und RCL-Produktion (September 2005 - Juli 2007)Das RCL-Portal startete mit 7, teilweise vor September 2005 existierenden RCLs, ohnebis Juli 2006 einen nennenswerten Zuwachs an Besuchen/Tag zu verzeichnen. Danachwurden 7 weitere RCLs in einem sehr kurzen Zeitraum zwischen Oktober 2006 und Januar2007 ins RCL-Portal integriert. Dies führte bereits im Veröffentlichungszeitraum zu einemdeutlichen Anstieg der Besuche/Tag, der am Schuljahresende in 2007 bei ungefähr35 Besuchen/Tag stagnierte. Ab Juni 2006 wurde die Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals durch monatliche Tests überprüft, wodurch Fehler schneller erkannt und beseitigtwerden konnten (→ III.1.1.1). Trotzdem nahm der Anteil funktionsuntüchtiger RCLs imLaufe des Jahres 2007 zu, weil zu viele RCLs in einer relativ kurzen Zeit ohne ausreichendeQualitätskontrolle produziert worden waren.• Bewährung (Juli 2007 - Juli 2008)Der zu Beginn des Schuljahres 2007/2008 einsetzende, von fast allen RCLs getrageneZuwachs an Besuchen/Tag (→ Anhang X.6), führt im November 2007 zu einem Maximumvon 75 Besuchen/Tag. Vermutlich haben die drei in kurzer Abfolge zwischen Februar undJuli 2007 erschienenen deutschen Zeitschriftenartikel zu den RCLs Fotoeffekt, OptischeKristallographie und Weltpendel (→ Anhang X.7) das RCL-Portal einer größeren Anzahlvon Lehrkräften bekannt gemacht. Ein weiterer Grund können positive Mitnahme- bzw.

II RCL-PROJEKT 31Vermehrungseffekte sein: Findet eine Lehrkraft ein gutes und geeignetes RCL auf demRCL-Portal, dann mit großer Wahrscheinlichkeit auch weitere. Durch Mund-zu-Mund-Propaganda unter den Physiklehrkräften, werden weitere Lehrkräfte auf die RCLs desRCL-Portals aufmerksam.Zwischen November 2007 und Juli 2008 sinkt die Anzahl der Besuche/Tag des RCL-Portals getragen von fast allen RCLs (→ Anhang X.6) um mehr als die Hälfte auf fast wiederdas Niveau vom Juli 2007. Gründe sind durch die intensive Nutzung auftretendeFunktionsuntüchtigkeiten von RCLs und dass es nicht nur positive, sondern auch negativeMitnahmeeffekte gibt. Diese erste Bewährungsprobe zwischen Juli 2007 und Juli 2008haben die RCLs des RCL-Portals nicht bestanden.• Konsolidierung (Juli 2008 - Juli 2009)In der Zeit zwischen Juli 2008 und Juli 2009 bleibt die Anzahl der Besuche/Tag mit ungefähr40 Besuchen/Tag konstant. Der Anstieg an Besuchen/Tag nach Juli 2008 wird vonzunehmender Anzahl an Besuchen bereits integrierter RCLs getragen (→ Anhang X.6)und ist nicht auf das im Juli 2008 erste veröffentlichte RCL Weltpendel in Kaisersesch undzwei weitere in diesem Zeitraum veröffentlichte RCLs zurückzuführen.Zwischen April 2008 und Mai 2009 wurden 9 Beiträge zu RCLs auf dem Schulportal Lehrer-Onlineveröffentlicht (→ VII.2.2, Tab. 47), in der ersten Hälfte von 2009 wurden dieWebseiten aller Standard-Lernumgebungen überarbeitet (← II.2.2, ▪ Form und Inhalte derStandard-Lernumgebungen) und zwei weitere deutsche Zeitschriftenartikel zu den RCLsBeugung und Interferenz II und Rutherfordscher Streuversuch veröffentlicht (→ AnhangX.7). Im gesamten Zeitraum wurden auftretende Fehler von RCLs nachhaltig beseitigt.Die Zeit zwischen Juli 2008 und Juli 2009 wurde mit dieser Vielzahl von Maßnahmen zurKonsolidierung des RCL-Portals genutzt.• Selbsttragendes RCL-Angebot (Juli 2009 - Januar 2011)Seit Juli 2009 wächst die Anzahl der Besuche/Tag ohne die weitere Integration von RCLsins RCL-Portal. Dies zeigt den Erfolg der zuvor durchgeführten Maßnahmen zur Konsolidierung.Insgesamt kann von einer nachhaltigen Entwicklung der Besuche/Tag des RCL-Portals gesprochenwerden. Die großen monatlichen Änderungen der Besuche/Tag zeigen, dass Aussagenzu Anzahl der Besuche nur sinnvoll sind für Erhebungszeiträume von mindestens einemJahr. Unbekannt ist vor allem die Empfindlichkeit der Lehrkräfte gegenüber Funktionsstörungenvon RCLs, die vermutlich größer ist als die Empfindlichkeit der Lehrkräfte gegenüberder Verbesserung von RCLs.Die Anzahl der Besuche des RCL-Portals kann anhand von Versuchen mit bekannter Nutzungshäufigkeitan deutschen Gymnasien eingeordnet werden: In 2010 wurden ungefähr4000 Besuche des RCLs Elektronenbeugung registriert (→ Anhang X.6), davon kommen84,3 % (→ II.5.3, ▪ Besuche nach Ländern) oder 3400 Besuche aus Deutschland. Der maxi-

II RCL-PROJEKT 32male Bedarf für das RCL Elektronenbeugung liegt für 3070 Gymnasien in Deutschland 55 ,durchschnittlich 2 Physikkursen in der Jahrgangsstufe 12 und zweimaligem Einsatz des Experimentsbei 12280 Besuchen. Unter Vernachlässigung der vermutlich geringen Nutzung inHochschulen und der Nutzung durch informelle Besucher beträgt der Marktanteil des RCLsElektronenbeugung 25 %.II.5.3Ergebnisse zur Standard-LernumgebungGoogle Analytics wurde im Zeitraum 01.03.2010 - 01.07.2010 für ein Besucher-Tracking derdeutsch- und englischsprachigen Standard-Lernumgebungen von 13 RCLs eingesetzt. DieRCLs Maut, Heißer Draht und Rutherfordscher Streuversuch bleiben wegen fehlender Internetverbindungim Erhebungszeitraum, das RCL Beugung und Interferenz I wegen fehlendemTracking-Code unberücksichtigt.Im Folgenden werden Fragen zur Standard-Lernumgebung der RCLs des RCL-Portals beantwortet:Woher kommen die Besucher von RCLs? Welchen Umfang und welche Mehrsprachigkeithaben Standard-Lernumgebungen der RCLs im weltweiten Vergleich? Wie oftund wie lange werden die Standard-Lernumgebung und einzelne Seiten davon besucht?Sind umfangreichere oder weniger umfangreiche Standard-Lernumgebungen besser?• Besuche nach LändernBisher konnten Länder der Besuche nur aus freiwilligen, unsicheren Angaben auf der Login-Seitedes RCLs Elektronenbeugung (→ I.3.1, Abb. 6) von 12 % der Besuche im Zeitraum01.08.06 - 29.11.06 56 und für variierende Zeiträume mehrerer RCLs 57 ermittelt werden.Google Analytics ermittelt automatisch aus der IP-Adresse das Land des Besucher-Standorts mit geringen Unsicherheiten. 58 Abb. 19 zeigt die Anzahl der Besuche derdeutsch- und englischsprachigen Standard-Lernumgebungen getrennt nach Ländern:55565758Vgl. Statistisches Bundesamt, Schulen und Klassen nach Schularten.Vgl. Knecht 2007, S. 25.Vgl. Gröber 2007a, Tab. 2, S. 138.Vgl. Aden 2009, S. 178-179.

II RCL-PROJEKT 33Abb. 18: Herkunft der Besuche der deutschen und englischen Standard-Lernumgebung von 13 RCLs des RCL-Portals (N = 15711 Besuche).84,3 % (13245) der Besuche kommen aus Deutschland, 3,9 % (608) aus Österreich, 2,5% (395) aus USA und 1,5 % (233) aus der Schweiz. Die Besuche der restlichen 85 Länderliegen unter 1 %. Obwohl das RCL-Portal als viersprachiges, internationales Portalangelegt ist, ist es faktisch ein deutsches Portal. Da aus Spanien mehr Besuche wie ausFrankreich kommen und Spanisch nach Englisch weltweit am häufigsten gesprochenwird 59 , sollte das RCL-Portal um die Portalsprache Spanisch erweitert werden. Die Rangreihenfolgeder ersten sieben am stärksten vertretenen Länder ist fast unabhängig vomRCL (→ Anhang X.8).• Umfang der Standard-LernumgebungenIn Abb. 19 wird der Umfang der 17 Standard-Lernumgebungen des RCL-Portals (←I.1.3.2, Tab. 2) mit 152 Standard-Lernumgebungen aus der RCL-Recherche (← II.4.1,Tab. 5) verglichen:Abb. 19: Vergleich des Umfangs der Standard-Lernumgebung von RCLs derRCL-Recherche (N = 152) und von RCLs des RCL-Portals (N = 17).59Vgl. Wikipedia, Spanische Sprache, unter Verbreitung.

II RCL-PROJEKT 34Von den 152 Standard-Lernumgebungen der RCL-Recherche umfassen nur ungefähr 7 %außer einer notwendigen Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Theorie auchlerneraktivierende Aufgaben zum RCL. Über 80 % der Standard-Lernumgebungen desRCL-Portals bieten darüber hinaus Diskussionsfragen und exemplarische Auswertungen.• Mehrsprachigkeit der Standard-LernumgebungenAbb. 21 zeigt die Verteilung der Sprachenanzahl der 17 Standard-Lernumgebungen vonRCLs des RCL-Portals und 100 Standard-Lernumgebungen der RCLs aus der RCL-Recherche:Abb. 20: Vergleich der Mehrsprachigkeit der Standard-Lernumgebung von RCLs der RCL-Recherche (N = 100)und der RCLs des RCL-Portals (N = 17).RCLs des RCL-Portals bieten im weltweiten Vergleich die größte Anzahl von Sprachen.• Besuche, Besucher und mittlere BesuchsdauerSobald ein Besucher die Standard-Lernumgebung eines RCLs aufruft wird in Google Analyticsder Beginn eines Besuchs registriert. Der gleiche Besucher kann an einem Tagmehrere Besuche generieren. Über das Setzen von Cookies im Browser des Besucherskann der Besucher als wiederkehrend identifiziert werden 60 , so dass die Anzahl der Besucherstets kleiner als die Anzahl der Besuche ist. In Tab. 7 sind Besuche, Besucher undweitere Kenngrößen der Standard-Lernumgebungen des RCL-Portals zusammengestellt:60Vgl. Aden 2009, S. 43, 185-186.

II RCL-PROJEKT 35Besuche, Besucher undmittlere BesuchsdauerSeitenaufrufe undAbsprungrateZugriffsquellenRCLBesucheBesucherBesuche/TagMittlere Besuchsdauer in sSeitenaufrufeEindeutige SeitenaufrufeSeitenaufrufe/BesuchAbsprungrate in %Direkte Besuche in %Suchmaschinen in %Verweisende Websites in %Millikan-Versuch 2272 1673 18,6 214 9319 6362 4,1 40 69 25 6Radioaktivität 1862 1545 15,3 148 5276 3786 2,8 56 46 40 14Oszilloskop 1731 1534 14,2 87 4171 3096 2,4 63 30 31 39Optische Computertomographie 1689 1434 13,8 99 3846 2762 2,3 58 23 29 48Elektronenbeugung 1560 1161 12,8 263 7621 5015 4,9 32 75 12 13Lichtgeschwindigkeit 1416 1059 11,6 182 5239 3528 3,6 45 72 23 5Fotoeffekt 1195 883 9,8 289 6371 4176 5,3 26 91 2 7Weltpendel 1081 820 8,9 146 5540 3567 5,1 34 73 16 11Windkanal 986 819 8,1 145 3018 2195 3,1 48 55 27 18Halbleiterkennlinien 860 786 7,0 70 1825 1322 2,1 66 24 27 49Beugung und Interferenz II 595 472 4,9 173 1657 1265 2,8 44 56 28 16Roboter im Labyrinth 352 297 2,9 134 1311 942 3,7 10 99 1 0Optische Fourier-Transformation 321 258 2,6 105 968 751 3,0 47 65 19 16Durchschnitt 1225 980 10,0 166 4320 2982 3,5 46 57 24 19Benchmark 242 - 2,0 35 494 - 2,0 50 - - -Tab. 7:Kenngrößen von Standard-Lernumgebungen des RCL-Portals sortiert nach absteigenderReihenfolge der Anzahl Besuche.Besuche bzw. Besuche/Tag und die über alle RCLs gemittelte Besuchsdauer von fast 3Minuten liegen um den Faktor 5 über dem Benchmark (← II.5.1, ▪ Besucher-Tracking derStandard-Lernumgebung von RCLs mit Google Analytics). Aufgabe in einer Weiterführungdes RCL-Projekts (→ VIII.1.1) könnte sein, das derzeitige Verhältnis 1,25 von Besuchen/Besuchernund damit die Zahl der Intensivnutzer des RCL-Portals zu vergrößern.Die um maximal den Faktor 7 schwankende Zahl der Besuche zwischen den RCLs hat füreine verlässliche Erklärung zu vielfältige Ursachen. Die mittlere Besuchsdauer schwanktum den Faktor 4 wesentlich weniger.Abb. 22 zeigt exemplarisch an den RCLs Fotoeffekt und Halbleiterkennlinien Verteilungender Besuchsdauer mit kleinerer und größerer mittlerer Besuchsdauer bei in etwa gleicherAnzahl von Besuchen. Beim RCL Fotoeffekt liegen fast 30 % der Besuche über der mittlerenBesuchsdauer und fast 5 % der Besuche dauern länger als eine halbe Stunde.

II RCL-PROJEKT 36Abb. 21: Verteilung der Besuchsdauer der RCLs Fotoeffekt (N =1195 Besuche) und Halbleiterkennlinien (N = 860 Besuche).• Seitenaufrufe und AbsprungrateBei eindeutigen Seitenaufrufen in Tab. 7 werden mehrfache Seitenaufrufe der gleichenSeite während eines Besuchs nur einmal gezählt. Der Anteil eindeutiger Seitenaufrufe anden Seitenaufrufen beträgt ungefähr 70 %. Dies ist auf eine fehlende interne Verlinkungzwischen den Webseiten und eine gut gewählte, dem Besucher Seitenwechsel ersparendeStruktur der Standard-Lernumgebung zurückzuführen (→ VI.2.3).Durchschnittlich wird bei Besuchen fast die Hälfte der Seiten der Standard-Lernumgebungaufgerufen. Die Anzahl der Seitenaufrufe liegt um den Faktor 9, die Anzahl durchschnittlicherSeitenaufrufe/Besuch um den Faktor 2 über dem Benchmark. Die Absprungrate, alsAnteil Besuche mit nur einem Seitenaufruf, ist mit 46 % hoch und liegt nur etwas besserals der Benchmark. Aufgabe in einer Weiterführung des RCL-Projekts (→ VIII.1.1) könntesein Ursachen zu finden und die Absprungrate zu senken.• ZugriffsquellenIn Tab. 7 deutet der Anteil von fast 60 % direkter Besuche durch Eingabe der URL in dasAdressfeld des Browsers oder das Aufrufen der Seite über Lesezeichen auf einen gutenBekanntheitsgrad des RCL-Portals hin. Zugriffe über Suchmaschinen und über verweisendeWebseiten auf einzelne RCLs sind mit jeweils ungefähr 20 % vergleichsweise gering.• Zusammenhang zwischen Umfang und mittlerer BesuchsdauerIn Abb. 23 sind für die 13 Standard-Lernumgebungen die mittlere Besuchsdauer aus Tab.7 über dem Umfang in DIN-A4-Seiten aus Tab. 2 aufgetragen:

II RCL-PROJEKT 37Abb. 22: Durchschnittliche Besuchsdauer in Abhängigkeit vom Umfangder Standard-Lernumgebung.Würden alle Besucher den Text einer Standard-Lernumgebung vollständig lesen, dannergäbe sich ein gleichmäßiger Anstieg der mittleren Besuchsdauer mit dem Umfang derStandard-Lernumgebung. Tendenziell nimmt die mittlere Besuchsdauer mit zunehmendemUmfang der Standard-Lernumgebung aber ab. Besucher schätzen zum Beginn desLesens ab, ob sie die Zeit investieren wollen auch umfangreichere Informationen aufzunehmen.Der Befund bestätigt die Leitlinie Texte der Standard-Lernumgebung so kurz wiemöglich zu halten (← II.3.2). Das Maximum der Besuchsdauer liegt unter 10 DIN-A4-Seiten. Für umfangreichere RCLs wie die Optische Computertomographie sollte die Standard-Lernumgebungknapper gehalten und ergänzend ein Tutorial (→ VI.2.5) angebotenwerden.• Seitenaufrufe und Besuchsdauer einzelner Seiten der Standard-LernumgebungIn Tab. 8 sind für die einzelnen Seiten der Standard-Lernumgebungen aller RCLs die Seitenaufrufe/Tagund die Besuchsdauer angegeben:Rang Seite Seitenaufrufe/Tag Rang Seite Besuchsdauer in s- Einstieg 98,7 ≈ 100 1 Theorie 1291 Theorie 88,32 Labor 109≈ 802 Labor 79,4 3 Auswertung 813 Aufbau 45,94 Aufbau 544 Auswertung 36,5 ≈ 40 5 Einstieg 495 Aufgaben 34,0 6 Material 406 Material 17,37 Betreuung 28≈ 157 Diskussion 16,3 8 Aufgaben 228 Betreuung 11,0 ≈ 10 9 Diskussion 20Tab. 8:Anzahl der Seitenaufrufe/Tag und Besuchsdauer von Seiten derdeutschen und englischen Standard-Lernumgebungen des RCL-Portals.

II RCL-PROJEKT 38Der Einstiegsseite mit ungefähr 100 Seitenaufrufen/Tag konnte kein Rang zugeordnetwerden, weil diese automatisch bei der Wahl eines RCLs aufgerufen wird. Theorie- undLaborseite sind mit ungefähr 80 Seitenaufrufen/Tag die mit Abstand am häufigsten undlängsten besuchten Seiten. Anzahl der Seitenaufrufe und die Besuchsdauer der Auswertungsseitezeigen die Richtigkeit als Lernhilfe eine Seite mit exemplarischen Auswertungenvon Messungen anzubieten. Die Rangreihenfolge deutscher und englischer Webseitenist gleich und nur unwesentlich vom RCL abhängig (→ Anhang X.9).II.6 ZusammenfassungDas RCL-Projekt ist weltweit betrachtet ein typisches Projekt zu RCLs, weil es von einertechnischen Universität bzw. einer deutschen Universität getragen wird. Folgende Merkmalezeichnen das RCL-Projekt aus:• Mit einem Finanzbudget aus Drittmitteln von fast 400.000 € wurden 25 RCLs entwickeltund 17 RCLs auf dem RCL-Portal bereitgestellt. Weltweit wurden damit die meisten RCLsinnerhalb eines Projekts zu RCLs mit wesentlich geringerer finanzieller Ausstattung alsmit EU-Mitteln geförderte Projekte entwickelt.• Die Laufzeit des RCL-Projekts von ungefähr 10 Jahren ist die höchste unter Projekten zuRCLs. Die hohe Laufzeit resultiert einerseits aus der Ausbildung von Studierenden für dasLehramt an Gymnasien durch die Anfertigung von Staatsexamensarbeiten zu RCLs. Andererseitswurde das Projekt so nachhaltig angelegt, dass es über die offizielle Laufzeithinaus weitergeführt werden konnte.• Die Entwicklung von RCLs im RCL-Projekt hat sich nicht nach weltweiten Trends gerichtet:Während weltweit die Anzahl neuer RCLs in einem Jahr seit dem Maximum von 45neuen RCLs in 2005 mit ungefähr 9 RCLs/Jahr bis ins Jahr 2009 abnimmt, wurden imRCL-Projekt in 2005 vier, in 2006 drei und in 2007 fünf RCLs entwickelt.• Ungefähr ein Drittel der weltweit recherchierten RCLs behandeln physikalische Themen,die restlichen zwei Drittel behandeln technische bzw. ingenieurwissenschaftliche Themen.Unter den RCLs des RCL-Portals sind ungefähr drei Viertel physikalische und ein Vierteltechnische RCLs.• Unter den physikalischen RCLs entfallen weltweit etwa ein Viertel auf die Mechanik undein Viertel auf die Elektrodynamik, weiterführende Gebiete sind im Durchschnitt mit nurungefähr 4 % vertreten. Unter den RCLs des RCL-Portal entfallen ungefähr die Hälfte aufweiterführende Gebiete.• Weltweit liegt der thematisch für den Standardunterricht der Sekundarstufe II geeigneteAnteil RCLs bei maximal 40 %, bei den RCLs des RCL-Portals liegt dieser zwischen 80und 90 %.

II RCL-PROJEKT 39• Die Besuche des RCL-Portals kommen zu fast 85 % aus Deutschland.• Die Standard-Lernumgebungen der RCLs sind ein webangepasster Verlauf von Hochschulpraktikamit den Seiten Einleitung, Aufbau, Theorie, Aufgaben, Labor (RCL), Auswertung,Diskussion, Material und Betreuung. Im weltweiten Vergleich ist der Umfang mitdurchschnittlich 15 DIN-A4-Seiten und die Anzahl der verfügbaren Sprachen am größten.Theoretische und experimentelle Inhalte werden in etwa gleichen Teilen angeboten. DieBesuchsdauer der Standard-Lernumgebung nimmt mit zunehmendem Umfang ab. Durchschnittlichverzeichnet jede Standard-Lernumgebung 10 Besuche/Tag, fast 3 Minuten Besuchsdauerund 3,5 Seitenaufrufe/Besuch. Diese Zahlen liegen um den Faktor 2 bis 5über vergleichbaren Physikseiten anderer Anbieter.• Die Anzahl der Besuche/Tag aller RCLs stieg zwischen September 2005 und Januar 2011um 14 Besuche/Tag im Jahr und lag im Januar 2011 bei ungefähr 80 Besuchen/Tag. In2010 sind fast 25000 Besuche von RCLs registriert worden. Der Zuwachs an Besuchen/Tagwird durch die sukzessive Integration der 17 RCLs in das RCL-Portal getragen.Zehn der RCLs tragen zusätzlich durch eine Zunahme der Besuche/Tag in einem Jahrzwischen 0,2 und 2,8 Besuche/Tag zum Wachstum des RCL-Portals bei.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 40III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLsZur Beurteilung der Qualität von RCLs werden die Qualitätskriterien Verfügbarkeit, Barrierefreiheit,Nutzerfreundlichkeit, Funktionalität, Konzeption, Interaktivität und Authentizität definiert.Zu jedem Qualitätskriterium werden Qualitätsmerkmale definiert, die eine konkreteÜberprüfung der Qualität von RCLs erlauben (→ III.1). Von allen RCLs des RCL-Portals wirddie Verfügbarkeit (→ III.1.1), die Barrierefreiheit (→ III.1.2) und die Interaktivität (→ III.1.6)beurteilt.Die Anwendbarkeit aller Qualitätskriterien wird durch eine vergleichende Evaluation dreierRCLs zur Beugung und Interferenz demonstriert, darunter das RCL Beugung und InterferenzII des RCL-Portals (→ III.2.1). Ein Besucher-Tracking mehrerer RCLs (← I.5.1, Besucher-Tracking der Laborseite von RCLs mit Logdateien) erfasst das Besucherverhalten und erlaubtRückschlüsse auf die Qualität von RCLs (→ III.2.2). Ergebnisse aus einer Befragungvon Lehrkräften zur Unterrichtstauglichkeit von RCLs des RCL-Portals werden präsentiert (→III.2.3).Im Hinblick auf eine Weiterführung des RCL-Projekts (→ VIII.1) werden zur Qualitätssicherungvon RCLs während der Entwicklung zwei Entwicklungsstrategien (→ III.3.1, → III.3.2)und ein Entwicklungsplan (→ III.3.3) vorgestellt. Material- und Arbeitskosten für die Entwicklungund Wartung werden für 4 RCLs des RCL-Portals miteinander verglichen (→ III.3.4).Abschließend werden Weiterentwicklungen von RCLs des RCL-Portals und anderer Anbieter(→ III.3.5) sowie Neuentwicklungen von RCLs und innovative Entwicklungsrichtungen fürRCLs präsentiert (→ III.3.6).III.1 QualitätEine hohe Qualität von RCLs ist aus mehreren Gründen essentiell für die Nutzung von RCLsund das Lehren und Lernen mit RCLs:• RCLs stehen im öffentlichen Non-Profit-Bildungssektor Nutzern kostenlos zur Verfügung.Eine vermehrte Nutzung von RCLs kann daher nicht über niedrigere Preise, sondernmuss neben Fortbildungen für Lehrkräfte (→ VII.3) und weiterer Werbemaßnahmen (→VII.1, → VII.2, → VII.4) über die Qualität von RCLs erzielt werden.• Die fortschreitende Entwicklung von Internet-Technologien hat den Qualitätsanspruch vonNutzern internetbasierter Medien steigen lassen. Wenn Anbieter nicht die Qualität vonMedien definieren, ständig verbessern und langfristig sichern gehen Nutzer verloren. 6161Vgl. Hartwig 2007, S. 2.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 41• Die Qualität von RCLs für die Lehre muss so hoch sein, dass ungünstig verlaufendeLernprozesse nicht auf RCLs selbst, sondern nur auf einen schlechten Einsatz von RCLszurückgeführt werden kann.In Abb. 23 sind Qualitätskriterien zur Erfassung der Qualität von RCLs dem Prinzip vonRCLs (← I, Abb. 1) zugeordnet:Abb. 23: Qualitätskriterien und Prinzip von RCLs.Will ein Besucher mit einem RCL experimentieren, muss der Zugriff auf das RCL einfach(Barrierefreiheit) und das RCL im Internet funktionsfähig bereitgestellt sein (Verfügbarkeit).Der Besucher muss schnell die Übersicht auf der Laborseite gewinnen können (Nutzerfreundlichkeit),alle angebotenen experimentellen Möglichkeiten müssen durchführbar (Funktionalität)und das Experimentieren mit dem RCL muss ähnlich zu dem mit einem traditionellenRealexperiment sein (Authentizität). Das RCL muss nach didaktischen Gesichtspunktenentwickelt worden sein (Konzeption) und dem Besucher in Umfang und Qualität gut gewählteexperimentelle Möglichkeiten bieten (Interaktivität).III.1.1 VerfügbarkeitEs wird zwischen konzeptioneller und technischer Verfügbarkeit von RCLs unterschieden. 62Ein RCL hat eine schlechte konzeptionelle Verfügbarkeit, wenn es isoliert ohne in eine Lernumgebung(→ VI.2) eingebettet zu sein, angeboten wird. Beim Qualitätskriterium technischeVerfügbarkeit ist es sinnvoll zwischen zwei Qualitätsmerkmalen zu unterscheiden: DerVerfügbarkeit des RCLs als Zeitanteil in dem ein RCL funktionsfähig im Internet bereitgestelltwird und der Stabilität des RCLs als Zeitanteil in dem das RCL ungeachtet einer funktionierendenInternetverbindung funktionsfähig ist. Die Funktionsfähigkeit der Internetverbindungliegt im dezentralen Standortkonzept (← II.1.2, ▪ Dezentrales und zentrales Standortkonzept)zum größeren Teil in der Verantwortung des Administrators und RCL-Betreuers am Standort,62Vgl. Hartwig 2007, S. 156.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 42die Stabilität des RCLs zum größeren Teil in der Verantwortung des RCL-Entwicklers. Währendeine schlechte konzeptionelle Verfügbarkeit lediglich die Nutzung des RCLs beeinträchtigt,verhindert eine ausgefallene Internetverbindung oder Laborseite die Nutzung des RCLs.Die Verfügbarkeit von RCLs wird aus mehreren Gründen als gering eingeschätzt:• Von softwarebasierten Physikmedien wie Simulationen, interaktiven Bildschirmexperimentenund Messvideos (→ VI.1.1) wird eine höhere Verfügbarkeit als von RCLs angenommen.Unberücksichtigt bleibt, dass diese Physikmedien durch Weiterentwicklung der Programmier-und Videotechnik einem "Alterungsprozeß" unterliegen und unbrauchbar werdenkönnen.• Die RCL-Recherche (← II.4) hat gezeigt, dass im Internet ein hoher Anteil funktionsunfähigeoder ungepflegter RCLs aus abgeschlossenen RCL-Projekten angeboten wird. Einvermutlich großer Anteil neuer Besucher ruft daher funktionsunfähige RCLs auf.• Bei der Sichtung von Artikeln zu RCLs und RCL-Projekten konnten keine Angaben zurVerfügbarkeit von RCLs anderer Projekte gefunden werden.Im Folgenden werden Ergebnisse von Erhebungen zur Verfügbarkeit und Stabilität der RCLsdes RCL-Portals vorgestellt. Weil eine Überwachung der Funktionsfähigkeit der RCLs durchRCL-Betreuer an den Standorten nicht sichergestellt werden konnte, wurden Tests durchMitglieder der Arbeitsgruppe durchgeführt. Die Tests tragen einerseits zur Erhöhung der Verfügbarkeitvon RCLs bei, indem Funktionsstörungen der Internetverbindungen oder derRCLs erkannt und behoben werden können. Andererseits liefern die Tests Angaben zur Verfügbarkeitund Stabilität der RCLs.III.1.1.1 ErgebnisseTab. 9 enthält Angaben zum Umfang einer bereits früher durchgeführten ersten 63 und einerzweiten Erhebung 64 zur Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals:Erhebungszeitraum in WochenErste Erhebung Zweite Erhebung Dritte Erhebung6 (18.01.07 - 02.03.07)15 (27.04.07 - 08.08.07)33 (20.11.07 - 10.07.08)234 (15.06.06 - 31.01.11)Anzahl getester RCLs 11 15 20Testzeiträume der RCLs inWochen6 48 46 - 234Anzahl der Tests 36 47 17 - 80Frequenz der Tests fast täglich einmal oder mehrmals wöchentlich wöchentlich oder monatlichTab. 9:Vergleich des Umfangs von Erhebungen zur Verfügbarkeit von RCLs.6364Vgl. Knecht 2007, S. 25-26.Vgl. Bender 2008, S. 15-17.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 43Die erste Erhebung ergab wegen des kurzen Erhebungszeitraums und unberücksichtigterAuslieferungszeiträume von RCLs eine zu hohe über die RCLs gemittelte Verfügbarkeit von97 % anstatt von 92 %. Die zweite Erhebung ergab eine geringere Verfügbarkeit von 79 %,weil realistischer Weise über einen wesentlich größeren Zeitraum gemittelt wurde. Die nachfolgendvorgestellte, dritte und längste Erhebung in Tab. 9 umfasst die beiden ersten Erhebungen:• TestaufwandAlle zu den Testzeitpunkten im RCL-Portal bereitgestellten RCLs wurden überprüft. Für20 RCLs dauerte ein Test ungefähr zwei Stunden. Als Kompromiss zwischen einem mitsteigender Zahl von RCLs zunehmenden Testaufwand und Sicherung der Verfügbarkeitvon RCLs wurde im Erhebungszeitraum die Testfrequenz von wöchentlich auf monatlichverringert. Eine Prüfung der Stabilität vom Messergebnissen konnte wegen des Zeitaufwandsnur bei einfacheren RCLs wie z. B. dem RCL Fotoeffekt durchgeführt werden. EineMindestkontrolle der RCLs war durch Messergebnisse von Lehrkräften auf Fortbildungen(→ VII.3) gegeben.• Testdurchführung und - auswertungDie RCLs wurden auf Funktionsstörungen der Internetverbindung, der Webcambilder unddes Bedienfelds getestet. Testergebnisse und Maßnahmen zur Behebung von Funktionsstörungenwurden in einem Testbericht (→ Anhang X.10) festgehalten. Die Testergebnissealler Testberichte wurden in eine vierstufige Skala von Funktionsstörungen umgesetzt(0 = Internet ok und Laborseite ok, 1 = Internet ok und Störung eine Laborfunktion, 2 = Internetok und Ausfall der Laborseite, 3 = Ausfall Internet und Laborseite ok) und chronologischin einer Tabelle zusammengefasst (→ Anhang X.11). Ausfallzeiten werden nachoben abgeschätzt, indem das RCL als nicht verfügbar erfasst wurde, wenn die Funktionsstörung1, 2 oder 3 vorlag und bei wöchentlichen Tests eine Woche, bei monatlichenTests vier Wochen Ausfallzeit verbucht wurden. Die Stabilität der RCLs wurde ermittelt,indem die Funktionsstörung 3 nicht als Ausfallzeit verbucht wurde. Ein gleichzeitiger Ausfalldes RCLs konnte durch Prüfung der Funktionstüchtigkeit des RCLs nach dem Herstellender Internetverbindung ausgeschlossen werden.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 44In Abb. 25 sind Verfügbarkeit und Stabilität von RCLs des RCL-Portals in der Reihenfolgeabnehmender Verfügbarkeit dargestellt:Abb. 24: Verfügbarkeit und Stabilität von RCLs des RCL-Portals.Die Verfügbarkeit der RCLs schwankt zwischen 31 % beim Millikan-Versuch und 98 % beimOszilloskop, elf der 20 RCLs (16 RCLs und 4 RCLs Weltpendel) haben eine höhere Verfügbarkeitals 80 % und die mittlere Verfügbarkeit aller RCLs des RCL-Portals liegt bei 78 %.Die geringe Verfügbarkeit der RCLs Maut und Heißer Draht ist auf das Fehlen einer Internetverbindungam Standort Berlin und die des RCLs Millikan-Versuch auf eine Reihe technischerProbleme und die große Entfernung zum Standort in Finnland zurückzuführen. DieStabilität der RCLs des RCL-Portals liegt um bis zu 55 % beim RCL Heißer Draht über derVerfügbarkeit der RCLs. Die mittlere Stabilität aller RCLs liegt mit 90 % um 12 % über dermittleren Verfügbarkeit. Ein qualitativer Zusammenhang zwischen der Komplexität und derStabilität von RCLs kann nicht hergestellt werden. Die Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals kann durch Vergleiche eingeschätzt werden:• Vergleich mit RCLs der RCL-RechercheVon den 335 in der RCL-Recherche (← II.4) erfassten RCLs existiert nur von 27 % eineWebseite mit funktionierendem Link zur Laborseite des RCLs (→ III.1.2, Tab. 12). Erfahrungenzur Verfügbarkeit und Funktionstüchtigkeit während der RCL-Recherche zeigenauch ohne dass quantitative Daten mit nicht vertretbarem Aufwand erfasst werden konnten,die hohe mittlere Verfügbarkeit von fast 80 % der RCLs des RCL-Portals. Darüberhinaus ist die Mehrzahl der RCLs des RCL-Portals länger im Internet bereitgestellt als dieRCLs anderer Projekte.• Vergleich mit SchulexperimentenAngaben zur Verfügbarkeit von Schulexperimenten liegen nicht vor. Deren Verfügbarkeitliegt vermutlich aus mehreren Gründen nicht über 90 %: Im Vergleich zu RCLs sind

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 45Schulexperimente höheren mechanischen Beanspruchungen und der Gefahr unsachgemäßenGebrauchs ausgesetzt. Geringe Schuletats der Physik von ungefähr 1000 €/Jahrund die Möglichkeit fehlende Schulexperimente durch theoretische Inhalte zu ersetzenführen dazu, dass defekte Schulexperimente gar nicht oder nur zögerlich ersetzt werden.Die Verfügbarkeit von Schulexperimenten und die der RCLs des RCL-Portals unterscheidensich deshalb nicht wesentlich.III.1.1.2 FehleranalyseDer Tab. 10 können Funktionsstörungen der RCLs des RCL-Portals im Erhebungszeitraumvon mehr als 4 Jahren sowie deren Ursache und Behebung entnommen werden. Zur Durchführungeiner Fehleranalyse wurde jede Funktionsstörung einem der Bereiche Manipulation(M), Konstruktion (K) oder Versuchskomponenten (V) zugeordnet. Funktionsstörungen imBereich Manipulation sind auf Personal am Standort (RCL-Betreuer, Hausmeister, Lehrende,Lernende), im Bereich Konstruktion auf die Entwicklung des RCLs und im Bereich Versuchskomponentenauf den Ausfall von Versuchskomponenten im laufenden Betrieb des RCLs zurückzuführen.Die Ursachen von Funktionsstörungen werden eingeteilt in die Typen Internet(I), Mechanik (Me), Elektronik (El) und Software (So):Nr.123RCLBeugung undInterferenz IBeugung undInterferenz IIFehlernr.123454 Fotoeffekt 6Beschreibung Ursache Behebung• Montags keine InternetverbindungElektronenbeugung• Beugungsobjektewerden nicht immersauber positioniert• Keine Internetverbindung• Kein Beugungsmustererzeugbar• VerschobenesWebcambild• 30 % Messfehler beider Bestimmung des• Apache-Server wird durcham Standort installiertesAnti-Virus-Programm blockiert• Kurzschluss im Anschlusssockelder Elektronenbeugungsröhre• Als Folge wird im Interfacedurch Überspannungder DA-Wandler zum Ansteuernder Hochspannungsquellezerstört• Unbefestigter Halter derElektronenbeugungsröhre• Vermutung, dass Fotozelledefekt ist• RCL erhält vom Standortnetzunabhängige Internetverbindung• Nutzung der Internetverbindungfür Mails einesMitarbeiters• Hysterese der Scannermechanik• Geplant Scanner durchandere Positionierungsmechanikzu ersetzen• Apache-Server perTeamviewer im Virus-Programm freigegeben• Anschlusssockel derElektronenbeugungsröhresowie DA-Wandler undvorsorglich Mikrocontrollerim Interface ersetzt• Festschrauben des Haltersauf GrundbrettBereichMKTypInMeBehebung ArbeitsgruppeM So xStandortbesuchV El x xK Me x x• Prüfung der Fotozelledurch Phywe ergab, dass V El x

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 465Halbleiterkennlinien6 Heißer Draht7Lichtgeschwindigkeit8 Maut9Millikan-Versuch789101112131415161718192021222324Wir-Planck´schenkungsquantums• Keine Steuerung desVersuchs mehr möglich• Verlust der im Interfacegespeicherten Betriebsparameter• Multimeter zeigt keinesinnvollen Fotospannungenan• Multimeter zeigt keineFotospannung mehran• Hyperterminal stürztab• Multimeter zeigt keineFotospannung mehran• Keine Internetverbindungwährend Ferienzeiten• Keine Internetverbindung• Lichtintensität kannnicht variiert werden• Eingriffe am RCL durchStandortpersonal• Schieber zum Schutz derPhotozelle vor Lichteinwirkungwar geschlossen• Server wurde ohne Herunterfahrenausgeschaltet• Standby-Zeiten des Interfaceverstellt. Teamviewerblockiert Hyperterminal.• Batterie des Multimetersverbraucht• Server wurde vom Standortpersonalzu Beginn derFerien abgeschaltet• Zuständigkeitsproblematikfür Administration desSchulnetzes zwischenGemeinde und Schule• Für Nutzung der RCLs imSchulnetz wurde Internetverbindungnach außenabgeschaltet• Variation der Lichtintensitätüber Blendengrößefalsch• Defekt des Multimeters• Multimeter zeigt keineFotospannung mehran• Oszilloskop lässt sich • Nicht identifizierbaresnicht mehr steuern Softwareproblem• Instabile Internetverbindung• Schlechte Anbindung desRCLs ans Internet• Gabel lässt sich nichtmehr positionieren• Keine Internetverbindung• Betreuer an der Schulestellt keinen vom Schul-netz unabhängigen Internetzugangbereit• Lokomotive lässt sichnicht mehr bewegen• Nachts nur dunkleWebcambilderInternetverbin-• Keinedung• Zug lässt sich nichtmehr steuern• Mikroskop lässt sichnicht mehr steuern• Im Webcambild könnenkeine ÖltröpfchenFotozelle nicht ausgetauschtwerden muss• Setzen und Speichern derBetriebsparameter perFernzugriff M So x• Öffnen des Schiebers• Standby-Zeiten per Fernzugriffneu eingestellt• Teamviewer per Fernzugriffneu installiert• Ersetzen der BatterieMMeM So xKEl• Herstellen der InternetverbindungM In• Kommunikation zwischenallen Beteiligten zum Herstellender InternetverbindungM In x• Variation der Lichtintensitätüber Graufilter K x• Ersetzen des Multimetersdurch netzbetriebenesMultimeter• Neustart des RCL-Servers• Neuer Standort für RCL• Instabile Mechanik • Mechanische Teile amVersuch befestigt• Gummi zum Spannen derSchnur für Streckenmessungist durch Alterunggerissen• Lokomotive hat sich inSchnur verfangen• Ausfall der automatischeinschaltbaren Raumbeleuchtung• Betreuer an der Schulestellt keinen vom Schulnetzunabhängigen Internetzugangbereit• Nicht identifizierbaresSoftwareproblem• Zahnrad des Getriebeszum Scharfstellen desMikroskops hat sich gelöst• Objektiv des Mikroskopsnicht mehr vorhanden• Neuer Standort für RCL• Ersetzen des Gummisdurch StahlfederVVElSoM In xK Me xM In x xKMe• Ersetzen des LeuchtmittelsV El• Neuer Standort des RCLs• Neustart des RCL-Servers• Getriebe repariert• Objektiv des MikroskopsersetztM In xV So x xK Me x xM Me x x

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 471011OptischeFourier-Transformation2526272829303112 Oszilloskop 3213 Radioaktivität141516Roboter imLabyrinth• Keine Internetverbindung• Ausfall des Schulnetzes • Behebung des Ausfalls• Keine Internetverbindung• Server wurde vom Stand-• Server einschaltenwährend Ferienortpersonalzu Beginn derzeitenFerien abgeschaltet• Keine Internetverbindununterfahren• Server wurde ohne Her-• Herstellen der InternetverbindungausgeschaltetRutherfordscherStreuversuchWeltpendelAden3334353637383940414243beobachtet werden• KeinmehrWebcambild• Im Webcambild könnenkeine Öltröpfchenbeobachtet werdenInternetverbin-• Umbaumaßnahmen im • Herstellen der Internetverbindungnach Beendi-Technikmuseum in Berlingung der Umbaumaßnahmen• Keinedung• Ausfall der Webcam• Der Kompressor blästkeine Öltröpfchen in denKondensator ein• Ersetzen der WebcamV El x x• Ersetzen des KompressorsV El x xOptischeComputertomographie• Aufnahme einesComputertomographiebildesnicht mehrmöglich• Horizontale Positionierungder Beugungsobjektenicht mehr möglich• Beugungsobjektewerden nicht immerexakt positioniert• Versuch kann nichtmehr gesteuert werden• Keine Internetverbindung• Keine Internetverbindung• Kein Webcambildmehr• Keine Messungenmehr durchführbar• Lösen einer Laserdiodeaus der Halterung• Sprengring hat sich vonAchse für den Riemenantriebdes Scanners gelöst• Absturz des Webcam-Programms durch Fehlerdes Webcam-Treibers• Ausfall des Switchs• Ausfall des Switchs• Ausfall des Netzteils derIP-Kamera• Verlust der IP-Kamera-Einstellungen• Fehler in Software führtzur Zerstörung des Zählrohrfensters• Bessere Befestigung derLaserdiode• Sprengring ersetztMInK Me xK Me x x• Hysterese der Scannermechanik• Geplant Scanner durchandere Positionierungsmechanikzu ersetzenK Me x x• Neuinstallation desWebcam-Treibers V So x• Ersetzen des Switchs• Ersetzen des Switchs• Ersetzen des Netzteils• Einstellen der IP-Kamera• Ersetzen des Geiger-Müller-Zählrohrs• Softwareseitige Einschränkungdes Positionierbereichsdes Zählrohrs• Präzisere Positionierungdes Zählrohrs zur Strahlungsquelle• Webcambild wird nichtmehr angezeigt• Keine Internetverbindung• Instabile und langsameInternetverbindungInternetverbin-• Keinedung• Apparatur liefert Werteder Erdbeschleuni-• Webcam beschädigt• Austausch der Webcam• Zuständigkeitsproblematikfür Administration desSchulnetzes zwischenGemeinde und Schule• Für Nutzung der RCLs imSchulnetz wurde Internetverbindungnach außenabgeschaltet• Schlechte Netzwerkadministration• Umstellung• Ausfall der Stromversorgungim Jemen• Unsachgemäßer Umgangbeim Aufhängen des• Kommunikation zwischenallen Beteiligtender Verbindungsgeschwindigkeitvon256 kB/s auf 512 kB/sVVInInV El x xK So x xMInM In xM ln xVElM In xM In x• Ausfall der Stromversorgunghat abgenommen M In -und ist akzeptabel• Neubefestigung des Pen-M Me x

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 48171819WeltpendelHermannsburgWeltpendelKaiserseschWeltpendelRiga20 Windkanal444546474849505152gung weit außerhalbder Fehlertoleranzen• Neubestimmung der Pendellängemit Messapparatur• Keine Internetverbindungwährend FerienzeitenPendel führte zur Veränderungder Drahtlänge• Server wurde vom Standortpersonalzu Beginn derFerien abgeschaltet• Versuchsapparatur im • Webcam verstelltWebcambild nichtmehr sichtbarInternetverbin-• KeinedungInternetver-• Instabilebindungam • Herstellen der Internetverbindung• Messung der Schwingungsdauernichtmehr möglich• Schlitten mit Magnetnicht mehr steuerbarInternetverbin-• Keinedung• Fahrzeuge lassen sichnicht mehr in dasStrömungsrohr fahren• Im Webcambild ist dasDisplay des Multimetersnicht mehr zu sehen• SanierungsarbeitenStandort• Unzureichende Administrationdes Standortnetzes• Justierung der Lichtschrankeinstabil• Schlechte Lötverbindungdes Kabels zum Schrittmotor• Studierende hatten Ethernet-Kabelvom• RCL-Server abgezogendeldrahtes an der Kugel• Einschalten des Servers• Ausrichtung der Webcam• Telefonate und Besucheam Standort zum Herstellender InternetverbindungM In xKMMeInM In x x• Nachjustierung der LichtschrankeK El x x• Erneuern der LötverbindungK El x x• Herstellen der InternetverbindungM In• Bewegliche Abschnitte • Justierung der Versuchsapparaturdes Strömungsrohrs mitFahrzeugen verkantenbeim Positionieren imStrömungsrohr• Webcam verstellt • Ausrichtung der WebcamK Me x xKMeTab. 10: Funktionsstörungen von RCLs in den Bereichen Manipulation (M), Konstruktion (K) und Versuchskomponenten(V) sowie den Typen Mechanik (Me), Elektronik (El), Software (So) und Internet(In).In Abb. 25 ist die Verteilung der Funktionsstörungen in den drei Bereichen und den Typendargestellt:Abb. 25: Anzahl der Funktionsstörungen in den Bereichen Manipulation,Konstruktion und Versuchskomponenten (N = 52).

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 49• Häufigkeit der BereicheDer größte Anteil von Funktionsstörungen entfällt auf den Bereich Manipulation. Manipulationund Konstruktion als personenbedingte Funktionsstörungen machen dreiviertel, gerätebedingteFunktionsstörungen von Versuchskomponenten machen nur ein Viertel derFunktionsstörungen aus.• Häufigkeit von TypenIn den Bereichen Manipulation, Konstruktion und Versuchskomponenten sind in der genanntenReihenfolge die Typen Internet, Mechanik und Elektronik am häufigsten. DieHäufigkeiten der jeweils zwei weiteren Typen sind dagegen vernachlässigbar. Die absolutgrößte Anzahl von Funktionsstörungen des Typs Internet im Bereich Manipulation istmehrheitlich auf technische Probleme an Schulen eine stabile Internetverbindung bereitzustellen,ungenügende Netzwerkadministration oder Eingriffe von Personen am Netzwerkzurückzuführen. Im Bereich Konstruktion ist der Typ Mechanik am häufigsten, weildie zum Betrieb von RCLs notwendige Qualität mechanischer Versuchskomponenten unterschätztwurde und Staatsexamenskandidaten häufig über zu geringe handwerklicheFähigkeiten verfügen. Der Typ Elektronik im Bereich Ausfall wird von verschiedensten Gerätenerzeugt, das Interface als einheitliches elektronisches Gerät aller RCLs ist wie dieFehlernummern 4, 7 und 9 in Tab. 10 zeigen nur als Folge von Funktionsstörungen ausgefallen.Schulen als Standort von RCLs haben den Nachteil, dass während Ferienzeiten RCL-Betreuer nicht verfügbar sind und Funktionsstörungen kurz vor Ferienzeiten nicht schnell genugbehoben werden können. Die Verfügbarkeit der RCLs ist abhängig von der Kompetenz,dem Engagement und der Zuverlässigkeit der RCL-Betreuer. Nach Tab. 10 sind Funktionsstörungenbei RCLs so komplex und vielfältig, dass ein Teil der Ursachen weder vom RCL-Betreuer am Standort noch von Mitgliedern der Arbeitsgruppe aus der Ferne erkannt oderbeseitigt werden konnten. 32 Funktionsstörungen (61 %) konnten nur unter Beteiligung vonMitgliedern der Arbeitsgruppe behoben werden, 17 Funktionsstörungen (31 %) machtenFahrten zu den Standorten der RCLs notwendig oder das RCL musste an die Arbeitsgruppegeschickt und repariert werden.III.1.1.3 Verbesserung der VerfügbarkeitFolgende Maßnahmen zur Verbesserung der Verfügbarkeit von RCLs können aus der Fehleranalyseder Funktionsstörungen von RCLs (← III.1.1.2) abgeleitet werden:• Zentrales StandortkonzeptStabile Internetverbindungen tragen mit mindestens 10 % zur Steigerung der Verfügbarkeitvon RCLs des RCL-Portals bei (← II.1.1.1, Abb. 25). Die Fehleranalyse hat gezeigt,dass ein Ausfall der Internetverbindung viele Ursachen haben kann. Wird ein dezentrales

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 50Standortkonzept (← II.1.2, ▪ Dezentrales und zentrales Standortkonzept) beibehalten,dann können einige der Ursachen durch eingehendere Prüfung der Geschwindigkeit, Stabilitätund Administration des Internets neuer Standorte vor der Auslieferung ausgeschlossenwerden. Die nachhaltigste Lösung ist ein zentraler Standort von RCLs an einerUniversität mit professioneller Netzwerkadministration und einem Ersatz der RCL-Serverdurch einen einzigen RCL-Portalserver.• Qualitätssicherung der Entwicklung von RCLsFast ein Drittel konstruktiv bedingter Funktionsstörungen sind neben den bereits für dieMechanik genannten Gründen (← III.1.1.2, ▪ Häufigkeit von Typen), darauf zurückzuführen,dass unter den Rahmenbedingungen eines Ausbildungsprojekts (← II.1.2,▪ Kombiniertes Entwicklungs- und Ausbildungsprojekt) zu wenig auf die technische Qualitätder RCLs Wert gelegt wurde. Erforderlich sind Maßnahmen zur Qualitätssicherung vonRCLs während der gesamten Entwicklung von RCLs (→ III.3).III.1.2 BarrierefreiheitBisher sind die Webseiten des RCL-Portals noch nicht barrierefrei im Sinne von behindertengerecht65 gestaltet, um auch Menschen mit physischen Einschränkungen die Möglichkeitzur Durchführung von Experimenten zu geben. Unter Barrierefreiheit von RCLs wird im Folgendenverstanden, dass ein physisch uneingeschränkter Besucher mit möglichst wenigentechnischen Barrieren die Laborseite eines RCLs im Internet aufrufen kann. Tab. 11 erläutertdie im Rahmen der RCL-Recherche (← II.4) erfassten Qualitätsmerkmale des QualitätskriteriumsBarrierefreiheit:AllgemeinQualitätsmerkmalWebseiteexistiertRegistrierung/AnmeldungEingeschränkterNutzerkreisPersönlicheDatenExistiert zum RCL eine Webseite?Beschreibung/Erläuterung• Eine Webseite existiert z. B. nicht, weil das RCL nicht mehr existiert, ungenutzt bleibt, nur nochals traditionelles Realexperiment eingesetzt wird oder nur im Intranet des Anbieters verfügbarist• Eine Suche nach der Webseite erfolgte durch in Publikationen angegebene Links und derenOberverzeichnisse, durch Recherche in den lokalen Seiten des Anbieters und durch Suche mitGoogle und der Bezeichnung des Experiments als SuchbegriffIst das RCL ohne Registrierung und Anmeldung zugänglich?• Nach der Registrierung muss eventuell eine Bestätigungsmail mit Passwort abgewartet werden• Ärgerlich für den Nutzer ist, wenn Benutzername oder Passwort vergessen wirdIst das RCL allen Nutzergruppen zugänglich?• Ein eingeschränkter Nutzerkreis ist sinnvoll, wenn das RCL durch Lernende an der anbietendenInstitution ausgelastet wirdIst das RCL ohne Angabe persönlicher Daten (außer E-Mail-Adresse) zugänglich?• Die Angabe der E-Mail-Adresse ist notwendig für die Zusendung von Login-Daten• Persönliche Angaben können z. B. Name, Vorname, Berufstätigkeit oder Land sein65Vgl. Wikipedia, Barrierefreiheit.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 51RCLBuchungSprachenLinkfunktionLadezeitZusatzsoftwareTestfragenKostenpflichtigkeitLinksucheStatusanzeigeIst das RCL ohne Buchung von Experimentierzeiten zugänglich?• Die Buchung wird meistens mit einem Buchungssystem und in seltenen Fällen per E-Maildurchgeführt• Eine geringe Nutzerfreundlichkeit des Buchungssystems führt mit hoher Wahrscheinlichkeitzum Abbruch des BuchungsvorgangsIst die Laborseite des RCL mindestens in englischer Sprache verfügbar?• Die Sprache der Laborseite konnte bei RCLs ohne existierende Webseite Publikationen entnommenwerden• Ist die Laborseite weder in Englisch noch in der Sprache des Nutzers vorhanden, können nureinfache, dem Nutzer bekannte Experimente durchgeführt werdenFunktioniert der Link zur Laborseite des RCLs?• Ein Link funktioniert z. B. nicht, weil der Link oder die Verlinkung des Links fehlt, der Link nichtreagiert oder die Laborseite nicht gefunden wird, der Link auf eine falsche interne oder externeWebseite führt oder der Link auf eine Login-Seite ohne Existenz einer Registrierung führtIst die Ladezeit der Laborseite kürzer als ca. 3 s?• Die Ladezeit eines RCLs ist z. B. zu lang, weil der Internetzugang oder der RCL-Server zulangsam ist oder weil für Java-Applets das Java Runtime Environment (JRE) geladen werdenmussWird keine Zusatzsoftware benötigt?• Eine Installation von Zusatzsoftware ist mit Zeitaufwand für Download, Installation und eventuellemNeustart des Rechners verbunden• Es besteht die Gefahr, dass falsche Zusatzsoftware installiert wird oder die Zusatzsoftwarenicht funktioniert• Am häufigsten wird als Zusatzsoftware das Java Runtime Environment (JRE) 66 für Applets unddie LabVIEW Run-Time Engine 67 eingesetztMüssen zur Nutzung des RCLs keine physikalischen Fragen beantwortet werden?• Nur Multiple-Choice-Fragen möglich• Gefahr, dass der Nutzer den RCL-Anbieter für arrogant hält, der Nutzer sich für inkompetenthält oder der Nutzer den Zugriff auf das RCL abbrichtIst das RCL kostenlos verfügbar?• Kostenpflichtig sind meistens RCLs größerer Firmen zum Erlernen der Administration vonNetzwerken, die in der weltweiten RCL-Recherche nicht erfasst wurdenIst auf der Webseite der Link zum RCL leicht zu finden?• Suchen des Links ist z. B. erforderlich, wenn der Link zu klein ist, im Text untergeht, in mittenvieler anderer Links platziert oder ungenügend bezeichnet istWird auf der Webseite über die Verfügbarkeit des RCLs informiert?• Über die Verfügbarkeit des RCLs kann per Text oder symbolisch z. B. in Form einer Ampel informiertwerden• Bei einigen RCLs war nicht erkennbar, ob sich die Verfügbarkeit auf eine Funktionsstörung desRCLs oder ob das RCL gerade besetzt ist, beziehtTab. 11: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Barrierefreiheit von RCLs.Kostenpflichtige RCLs 68 konnten keine mehr gefunden werden. Testfragen wurden nur beieinem RCL gestellt und werden nicht weiter betrachtet.666768Vgl. Oracle - Java.Vgl. National Instruments: LabVIEW Run-Time Engine.Vgl. Zorn 2006, S. 16.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 52Tab. 12 informiert über die Anteile von 335 RCLs, welche einzelne und alle Qualitätsmerkmaledes Qualitätskriteriums Barrierefreiheit erfüllen:Statusanzeige vorhanden x xKeine Registrierung/Anmeldung x xKeine Zusatzsoftware JRE und lange Ladezeit x xKeine Zusatzsoftware LabVIEW x xKeine Buchung x xUneingeschränkter Nutzerkreis x xLink schnell zu finden x xLaborseite mindestens englischsprachig x xLink funktioniert x x x x x x x x x xWebseite existiert x x x x x x x x x x xRCLs 178 91 90 86 73 71 59 55 45 33 17RCLs in % 53 27 27 25 22 21 18 16 13 10 5Tab. 12: Anteil RCLs der Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Barrierefreiheit erfüllt (N= 335).Unter den erfassten RCLs existiert nur von ungefähr der Hälfte (53 %) eine Webseite undnur von etwa einem Viertel (27 %) ein funktionierender Link zur Laborseite des RCLs. Hinzufügeneinzelner weiterer Qualitätsmerkmale zeigt, dass weniger als 20 % der RCLs die Qualitätsmerkmalezur Zusatzsoftware, zu Registrierung/Anmeldung und zur Statusanzeige erfüllen.Alle Qualitätsmerkmale erfüllen nur die 5 % RCLs des RCL-Portals. Dieser Idealfall istzu relativieren:• Einmalig zu überwindende Barrieren wie die Installation von Zusatzsoftware und die Registrierung/Anmeldungsind nicht so hoch zu bewerten wie die anderen, bei jedem Zugriffauf ein RCL auftretende Barrieren. Darüber hinaus funktionieren die Installation von Zusatzsoftwareund Registrierung/Anmeldung heute mit größerer Zuverlässigkeit und einerhöheren Akzeptanz der Besucher.• Für eine gezielte Nutzung von RCLs in Schule und Hochschule ist ein Buchungssystemmit Registrierung/Anmeldung zwingend notwendig. Das beschriebene Buchungssystem(→ VIII.2) stellt durch seine Konzeption und Nutzerfreundlichkeit keine Barriere, sonderneine Serviceleistung für den Besucher dar.• Die Höhe vieler Barrieren hängt von einer nutzerfreundlichen Gestaltung der Webseitenab: Sinn und Vorteile eines Buchungssystem sind zu kommunizieren, bei der Erhebungpersönlichen Daten ist der Verwendungszweck anzugeben und die Datensicherheit zu garantierenoder ein direkter Link zum Download der Zusatzsoftware garantiert die Installationder richtigen und aktuellsten Zusatzsoftware.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 53III.1.3 NutzerfreundlichkeitBesucher machen nach dem erstmaligen Aufrufen der Laborseite eines RCLs zuerst Erfahrungenmit der Nutzerfreundlichkeit der Laborseite und dann erst mit den Experimenten desRCLs. 69 Insbesondere Besucher mit geringem Vorwissen zum RCL werden eine nutzerfeindlicheLaborseite ohne zu experimentieren wieder verlassen. Erfahrungen mit vielen nutzerfeindlichenLaborseiten aus der RCL-Recherche (← II.4) lassen vermuten, dass Anbieter undProgrammierer von RCLs fälschlicherweise den eigenen sicheren Umgang mit der Laborseiteauf Besucher übertragen. 70 Eine nutzerfreundliche Laborseite zeigt Besuchern, dass derAnbieter des RCLs sich an den Besucherbedürfnissen orientiert und ein hohes Interesse ander Nutzung des RCLs hat. Aus ökonomischer Sicht können nutzerfeindliche Laborseitenden Material-, Geld- und Arbeitsaufwand der in einem inhaltlich guten RCL steckt, zunichtemachenoder zumindest in Frage stellen. Umgekehrt kann von einer nutzerfreundlichen Laborseitenicht auf die inhaltliche Qualität des RCLs geschlossen werden.Qualitätsmerkmalen zur Nutzerfreundlichkeit und Funktionalität (→ III.1.4) wurden durchAnalyse und Vergleich der Laborseiten von sechs RCLs (Anhang X.5, IDs 15, 144, 175, 181,182, 201) gewonnen. Fortschritte in den Internet-Technologien und Erfahrungen in der Entwicklungvon RCLs wurden berücksichtigt, indem alle RCLs nach 2005 von Anbietern mitmindestens vier veröffentlichten RCLs stammen. Am Beispiel der Laborseite des RCLs Beugungund Interferenz II des RCL-Portals in Abb. 27 werden zur Formulierung von Qualitätsmerkmalenrelevante Strukturen von Laborseiten erläutert:Abb. 26: Laborseite des RCLs Diffraction and Interference II mit gekennzeichneten Eingabeelementen(hellblau), Eingabegruppen (dunkelblau), Ausgabeelementen (orange) und Ausgabegruppen(rot).6970Vgl. Schweibenz 2003, S. 14.Vgl. Schweibenz 2003, S. 13.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 54Auf der Laborseite können zur Ein- und Ausgabe Buttons, Auswahlfelder, Ein- und Ausgabefelder(keine in Abb. 27), Webcambilder, Diagramme, Bilder (keine in Abb. 27) und Popup-Fenster unterschieden werden. Diese Vielfalt kann funktionell auf Ein- (hellblaue Rahmen)und Ausgabeelemente (orange Rahmen) und deren Zusammenfassung zu Ein- (dunkelblaueRahmen) und Ausgabegruppen (rote Rahmen) reduziert werden. Die wichtigsten Ausgabegruppenauf der Laborseite sind Webcambilder. Der Rest der Laborseite sind Textinformationenwie z. B. Beschriftungen von Ein- oder Ausgabeelementen, Informationen zum Versuchund Hinweise oder eingeblendete Rückmeldungen zur Bedienung. Der Tab. 14 können Qualitätsmerkmalezur Ein- und Ausgabe, zu Webcambildern und zu Textinformationen entnommenwerden:Ein- und AusgabeWebcambilderQualitätsmerkmalScrollenPopup-FensterAnordnung vonElementenGruppierung von EinundAusgabeelementenRedundante Ein- undAusgabeelementeRückmeldungenEin- und AusloggenBilderDiagrammeAnzeigeLadezeitRuckelfreiheitSchärfeGröße/AuflösungVersuchsaufbauin TotaleÜbersichtlichkeitVersuchsaufbauErkennbarkeitVersuchskomponentenPerspektiveMitbeobachtungBeschreibung/ErläuterungWird Scrollen der Laborseite vermieden?• Scrollen der Laborseite ist zu vermeiden, um die Aufmerksamkeit des Nutzers nicht zwischendem sichtbaren und unsichtbaren Anteil der Laborseite zu verteilen (Split AttentionEffect) 71• Die Notwendigkeit zu scrollen, hängt von der Bildschirmauflösung abWerden keine oder sinnvolle Popup-Fenster eingesetzt?• Popup-Fenster können für den Nutzer wegen dem Verdecken von Anteilen der Laborseitebeim Experimentieren hinderlich sein und deuten auf ein schlecht geplantes Layout derLaborseite hin• Ob Popup-Fenster tolerabel sind, hängt von deren Größe, Position und Funktion abSind Ein- und Ausgabeelemente, Ein- und Ausgabegruppen, Webcambilder, Diagramme undBilder übersichtlich und funktionell angeordnet?Sind Ein- und Ausgabeelemente übersichtlich zu wenigen, möglichst einheitlich strukturiertenEin- und Ausgabegruppen zusammengefasst?Ist die Anzahl der Ein- und Ausgabeelemente auf das Notwendigste reduziert?Erhält der Nutzer auf jede Aktion eine Rückmeldung?• Rückmeldungen in Webcambildern sind z. B. Bewegungen von Versuchskomponenten,Veränderungen von Anzeigen oder sichtbares Einschalten von Lichtquellen• Rückmeldungen im Bedienfeld sind z. B. Meldungen über unzulässige oder fehlende Eingaben,Meldungen zur Durchführung einer länger dauernden Aktion, Veränderungen inAusgabeelementen oder die Ausgabe von WertenIst das Ein- und Ausloggen transparent ausgeführt?Wird über die verbleibende Experimentierdauer informiert?Sind Bilder gut zu erkennen, hinreichend groß und haben eine Funktion?Sind Diagramme gut lesbar, hinreichend groß und haben eine Funktion?Werden die Webcambilder angezeigt?Werden Webcambilder in weniger als ca. 3 s dargestellt?Werden Bewegungen ruckelfrei wiedergegeben?Sind die Webcambilder ausreichend scharf?Ist die Größe/Auflösung der Webcambilder mindestens 320 x 240 Pixel?Existiert ein Webcambild des Versuchsaufbaus in der Totale?Ist der im Webcambild dargestellte Ausschnitt des Versuchsaufbaus übersichtlich gestaltet?Sind alle für die Versuchsdurchführung relevanten Versuchskomponenten gut erkennbar?Sind Ausschnitt und Blickrichtung der Webcams auf den Versuchsaufbau sinnvoll gewählt?Können wartende Nutzer Aktionen des aktuellen Nutzers in den Webcambildern beobachten?71Vgl. Niegemann 2008, S. 47.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 55TextinformationenSpracheRedundanteÜberflüssigeFehlendeFalscheFalsch platzierteAbkürzungenSind alle Texte in einheitlicher Sprache verfasst und grammatikalisch fehlerfrei?Sind keine redundanten Informationen vorhanden?Sind keine überflüssigen Informationen vorhanden?Sind alle Informationen zur Versuchsdurchführung und -auswertung vorhanden?• Z. B. Einheiten von Größen, Achsenbeschriftung von Diagrammen oder Werte gegebenerGrößenSind alle Informationen inhaltlich richtig?Sind Informationen in unmittelbarer Nähe zum Bezugsobjekt platziert?Wird auf Größensymbole und sonstige Abkürzungen verzichtet?Tab. 13: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Nutzerfreundlichkeit.III.1.4 FunktionalitätDie Funktionalität von RCLs bezieht sich auf die technische Umsetzung experimenteller Aktivitätenauf der Laborseite. In Tab. 15 sind Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Funktionalitätzusammengestellt:AllgemeinQualitätsmerkmalÜberflüssige FunktionenRedundante FunktionenUnverständliche FunktionenDefekte FunktionenBeschreibung/ErläuterungSind alle Funktionen sinnvoll?Sind keine Funktionen redundant?Sind alle Funktionen verständlich?Sind alle Funktionen ausführbar?AutomatisierteMessungEinzelmessungenSpeicherung von MessdatenGraph löschenKönnen bei automatisierter Aufnahme einer Messreihe einzelneWerte gemessen werden?Können bei automatisierter Messwertaufnahme die Messdatenauf dem Computer des Nutzers gespeichert werden?Kann bei automatisierter Messwertaufnahme der Graph vonMesswerten gelöscht werden?Tab. 14: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Funktionalität.III.1.5 KonzeptionIn Tab. 16 sind Qualitätsmerkmale zum Qualitätskriterium Konzeption zusammengestellt:

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 56ZielgerichtetheitExperimenteQualitätsmerkmalRichtzielSchulstufe/StudienabschnittLehrplanFachlicheRichtigkeitMehrwertVernetzungVollständigkeitErläuterungSind die Inhalte geeignet um physikalische Begriffe, Zusammenhänge, Modelle, technischeAnwendungen, Naturphänomene, usw. zu verstehen?Sind die Inhalte auf eine bestimmte Schulstufe oder Studienabschnitt oder auf mehrereabgestimmt?Sind die Inhalte Teil des Lehrplans von Schulen und Hochschulen?Sind die Inhalte außerhalb der Standard-Lehre in Projekten, Arbeitsgruppen oder zumSelbststudium einsetzbar?Sind zur Aufnahme von Messreihen die Anzahl und der Bereich der Werte unabhängigerGrößen richtig gewählt?Stimmen experimentelle Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen und Literaturwertenim Rahmen von Annahmen und Messfehlern überein?Bieten die Experimente des RCLs einen Mehrwert in den experimentellen Features,den Inhalten, der Lehr-Lern-Organisation oder Formen des Lernens mit Experimenten(→ III.3.1)?Sind die Inhalte einzelner Experimente vernetzt oder stehen sie nur isoliert nebeneinander?Wird im Rahmen des Themas eine gewisse Vollständigkeit der Inhalte erzielt?Tab. 15: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Konzeption.Am Beispiel eines RCLs zur elektromagnetischen Induktion in Abb. 28 können die Qualitätsmerkmaleerläutert werden. Die Rotation einer Leiterschleife im annähernd homogenenMagnetfeld eines Hufeisenmagneten erzeugt eine sinusförmige Induktionsspannung (Generatorprinzip).Durch Variation der Drehzahl der Leiterschleife können Amplitude und Frequenzder Induktionsspannung verändert und im Diagramm gemessen werden:Abb. 27: Laborseite eines RCLs (Anhang A.5, ID 13) zur elektromagnetischenInduktion (Speicherung und Abruf von Spannungsverläufen nichtdargestellt).• Zielgerichtetheit: Schulstufe/Studienabschnitt, Lehrplan, RichtzielDie gegebene Flussdichte zeigt, dass das RCL ab der Sekundarstufe II eingesetzt werdenkann. Der Inhalt des RCLs ist Teil des Lehrplans von Schulen und Hochschulen. BeimRCL handelt es sich lediglich um die experimentelle Umsetzung einer Standardaufgabezur Induktion in der Sekundarstufe II. Die elektromagnetische Induktion wird weder ausphysikalischer (→ III.3.5, Tab. 7, Elektromagnetische Induktion) noch aus technischer

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 57Sicht (z. B. Generator unter Belastung, Wirkungsgrad eines Generators, Erzeugung vonDrehstrom) tiefergehend betrachtet.• Experimente: Fachliche Richtigkeit, Mehrwert, Vernetzung, VollständigkeitDie aus Windungszahl, Spulenfläche, Flussdichte und der experimentell ermittelten Umlaufdauerbestimmte theoretische Amplitude der Induktionsspannung stimmt mit der gemessenenAmplitude der Induktionsspannung überein. Das RCL bietet im Vergleich zumeinfach durchführbaren traditionellen Realexperiment einen kleinen Mehrwert als Ergänzungeiner Übungsaufgabe. Da das RCL nur aus einem einzigen Experiment besteht (Zusammenhangzwischen Umlaufdauer der Induktionsspule und Frequenz/Amplitude derInduktionsspannung) können keine Vernetzungen von Experimenten vorliegen. Die Weiterentwicklungdieses RCLs (→ III.3.5, Tab. 27, Elektromagnetische Induktion) ist ein Beispielfür die Vernetzung von Experimenten anhand eines Gesetzes. Das RCL ist austechnischer und physikalischer Sicht unvollständig.III.1.6 InteraktivitätEine Definition von Interaktivität lautet: "Interaktivität bezeichnet das Ausmaß, in dem eineLernumgebung Interaktionen ermöglicht und fördert." 72 Eine Umschreibung von Interaktivitätbetont besonders die Möglichkeit des wahlfreien Zugriffs auf multimediale Informationen. 73Bei RCLs interagieren Besucher und Experiment auf der Laborseite und über eine dazwischengeschalteteRCL-Technik (→ III.1, Abb. 24). Eine operationale Definition der Interaktivitätvon RCLs, welche die Wechselseitigkeit und Symmetrie von Interaktionen zwischen Nutzerund Experiment beachtet, lautet: Unter Interaktivität eines RCLs wird der Umfang anwahlfreien Aktionsmöglichkeiten des Besuchers und definierten Reaktionen des Experimentsauf der Laborseite des RCLs verstanden.Interaktivität von RCLs soll dazu führen, dass Besucher sich experimentell und theoretischmit physikalischen Inhalten des Experiments auseinandersetzen (kognitive Wirkung), durchvielfältige experimentelle Aktivitäten zu individualisierten experimentellen Vorgehensweisenangeregt werden (lernpsychologische Wirkung) und eine positive Einstellung zur experimentellenMethode entwickeln (motivationale Wirkung). 74In Tab. 17 wird die Interaktivität der RCLs des RCL-Portals quantitativ und qualitativ durchQualitätsmerkmale wie die Anzahl der Ein- und Ausgabeelemente, die Anzahl der Ein- undAusgabegruppen (→ II.1.3, Abb. 26), die Art der physikalischen Größen, dem Anteil messundsteuerbarer Größen an der Gesamtzahl von Größen und durch experimentelle Aktivitätenerfasst:727374Vgl. Niegemann 2008, S. 295.Vgl. Kerres 2001, S. 101.Vgl. Haack 2002, S. 129.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 58Nr.123RCLBeugung undInterferenz IBeugung undInterferenz IIElektronenbeugungEingabeelementeEingabegruppenAusgabeelementeAusgabegruppen4 2 4 216 8 9 33 2 3 2Größe (g)egeben,(b)estimmbar, (m)essbar,(s)teuerbarAnteil (m + s)/n messbarer (Anzahlm) + steuerbarer Größen(Anzahl s) an der Anzahl n allerGrößen• Abstand Beugungsobjekt-Schirm (g)• Spaltabstand (g,b,s)• Spaltbreite (g,b,s)• Spaltanzahl (g,s)• Wellenlänge (g,b)• Abstand im Beugungsmuster(m,b)(1 + 3)/6 ≡ 67 %• Abstand Beugungsobjekt-Schirm (g)• Spaltabstand (g,b,s)• Spaltbreite (g,b,s)• Spaltanzahl (g,b,s)• Wellenlänge (g,b,s)• Position im Beugungsmuster(m,b)• Lichtintensität (m)• Ordnung Maxima/Minima (m,b)• Anzahl Nebenmaxima (m,b)• Auflösungsvermögen (b)(1 + 5)/10 ≡ 60 %• Streumaterial (g)• Abstand Graphitfolie-Fluoreszenzschirm (g)• Ringdurchmesser (m,b)• Netzebenenabstand (g,b)• Beschleunigungsspannung (s)• Geschwindigkeit der Elektronen(b)• Wellenlänge der Elektronen (b)Experimentelle Aktivitäten (Anzahl k)Allgemein Speziell kObjekt wählen BeugungsobjektGerätLaserein-/ausschaltenMessergebnisseScreenshot BeugungsmusterspeichernOrdnung Maxima/Minima ↔Position Maxima/MinimaMessreiheaufnehmenVersuchjustierenObjekt wählenMessergebnissespeichernMessinstrumenteinstellenMessinstrumentwählenMessreiheaufnehmenStrahlpräparierenVersuchjustierenGerätein-/ausschaltenGröße messenMessergebnissespeichernMessreiheaufnehmenStrahlpräparierenSpaltbreite ↔ PositionMaxima/MinimaSpaltabstand ↔ PositionMaxima/MinimaBeugungsobjektradBeugungsobjektScreenshot vonBeugungsmusterLichtintensität ↔ PositionLichtsensorSchrittweite des LichtsensorsScreenshot, Lineal oderLichtsensorWellenlänge ↔ PositionMaxima/MinimaSpaltbreite ↔Lichtintensität zentralesMaximumSpaltbreite ↔ Breitezentrales MaximumSpaltanzahl ↔Lichtintensität zentralesMaximumSpaltabstand ↔ PositionMaxima/MinimaSpaltanzahl ↔ AnzahlNebenmaximaSpaltanzahl ↔Minimale Ordnung AuflösungPosition Lichtsensor ↔LichtintensitätWellenlängeBeweglicheVersuchskomponentenGlühkathodeRingradien desBeugungsmustersScreenshot desBeugungsmustersBeschleunigungsspannung↔ RingdurchmesserGeschwindigkeit/Wellenlängeder Elektronen7155

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 59• Planck´sches Wirkungsquantum(b)(1 + 1)/8 ≡ 25 %4 Fotoeffekt 12 3 4 1• Wellenlänge (s,a,b)• Lichtintensität (s)• Fotospannung (m,b)• Austrittsarbeit (g,b)• Plancksches Wirkungsquantum(b)(1 + 2)/5 ≡ 60 %MessreiheaufnehmenStrahlpräparierenVersuchjustierenWellenlänge ↔FotospannungLichtintensität ↔FotospannungWellenlängeLichtintensitätRäder mit Farb- undGraufiltern5• Halbleiterbauelement (s)Objekt wählenHalbleiterbauelement5Halbleiterkennlinien5 4 8 2• Messschaltung (s)• Kennlinie (m)• Stromstärke in Schaltung (m)• Spannung in Schaltung (m)• Gleichspannung in Schaltung(s)• Durchlassspannung (b)• Stromverstärkungsfaktor (b)• Schaltspannung (b)• Haltestrom (b)• Maximaler Kollektorstrom (b)• Maximale Kollektor-Emitterspannung (b)(3 + 3)/12 ≡ 50 %MessergebnissespeichernMessinstrumenteinstellenParameterwählenVersuchjustierenZusammenhangbeobachtenScreenshot KennlinieOszilloskopschirmX- und Y-VerstärkungX- und Y-VerschiebungZeitbasisTriggerlevelSpannung Transistor/ThyristorStromstärke Transistor/ThyristorDrehteller mit SchaltungenOszilloskopbildOszilloskopeinstellungen ↔Oszilloskopbild11• Drahtbügelorientierung (s)Drahtbügel drehen6 Heißer Draht 7 2 5 1• Drahtbügelposition (s)• Berührung (m)(1 + 2)/3 ≡ 100 %ObjektpositionierenDrahtbügel horizontal/vertikal bewegen2Größe messenLaufzeitLaufstrecke7Lichtgeschwindigkeit17 3 5 3• Laufzeit (m)• Laufstrecke (s,m)• Lichtgeschwindigkeit (b)(2 + 1)/3 ≡ 100 %MessergebnissespeichernMessreiheaufnehmenObjektpositionierenVersuchjustierenScreenshot Impulse OszilloskopschirmLaufstrecke ↔ LaufzeitReflektorLichtintensität ReferenzstrahlLichtintensität Messstrahl8ZusammenhangbeobachtenLaufstrecke ↔ AbstandImpulse8 Maut 3 2 4 1• Fahrzeugidentifikationsnummer(m)• Rundenzahl (m)Gerätein-/ausschaltenMessinstrumenteinstellenZug starten/stoppenZähler zurücksetzen4(2 + 0)/2 ≡ 100 %Größe messenAnzahl gefahrener RundenFahrzeugidentifikationsnr.9Millikan-Versuch9 4 4 1• Öldichte (g)• Plattenabstand (g)• Luftviskosität (g)• Luftdichte (g)• Skalenteileabstand (g)• Kondensatorspannung (s)• Mikroskoprichtung (s)• Mikroskop-Fokus (s)• Öltröpfchenproduktion (s)• Steigzeit (m)Gerätein-/ausschaltenGröße messenMessergebnissespeichernMessinstrumenteinstellenMessreiheaufnehmenParameterKompressor ÖltröpfcheneinblasenSteig- und FallstreckeSteig- und FallzeitSteig- und Fallzeit mitStoppuhr-ToolBlickrichtung MikroskopFokus MikroskopÖltröpfchennr. ↔Steig-/FallgeschwindigkeitSteigspannung10

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 601011OptischeComputertomographieOptischeFourier-Transformation16 10 6 27 4 3 112 Oszilloskop 9 3 11 113Radioaktivität16 7 9 2• Fallzeit (m)• Steiggeschwindigkeit (b)• Fallgeschwindigkeit (b)• Elementarladung (b)(2 + 4)/14 ≡ 43 %• Bildauflösung (s)• Scanwinkel (s)• Anzahl der Scanwinkel (s)• Abstand der Scanwinkel (s)• Probekörper (s)• Fensterung (s)• Shepp-Logan-Filter (s)• Computertomographisches Bild(m)(1 + 7)/8 ≡ 100 %• Wellenlänge (g)• Abstand Beugungsobjekt-Schirm (g)• Strecke im Beugungsmuster(m)• Anzahl Einzelobjekte in x-Richtung (s)• Anzahl Einzelobjekte in y-Richtung (s)• Einzelform (s)• Form mit Einzelformen (s)• Begrenzende Einzelform (s)• Größe der Einzelform (s)• Winkel zwischen Einfachspalten(s)(1 + 5)/10 ≡ 60 %• Signalart (s)• Signalfrequenz (m)• Signalamplitude (m)• Offset (m)• Trigger level (s)• X-Position (s)• Y-Position (s)• Y-Verstärkung (s)• Zeitbasis (s)(3 + 6)/9 ≡ 100 %• Strahlungsart (g,s,b)• Messzeit (s)• Zerfälle (m)• Zeit zwischen Zerfällen (m)• Zählrate (b)• Zerfallskonstante (b)• Abstand Quelle-Detektor (s)wählenZusammenhangbeobachtenObjekt wählenGerätein-/ausschaltenMessreiheaufnehmenZusammenhangbeobachtenObjekt wählenMessergebnissespeichernMessreiheaufnehmenZusammenhangbeobachtenMessinstrumenteinstellenMessergebnissespeichernQuelle wählenVersuchjustierenZusammenhangbeobachtenObjekt wählenMessreiheaufnehmenParameterwählenQuelle wählenSteigspannung ↔Steig-/FallgeschwindigkeitÖltröpfchengröße ↔Steig-/FallgeschwindigkeitProbekörperLaserBildqualität ↔ BildauflösungBildqualität ↔ Anzahl derScanwinkelBildqualität ↔ Shepp-Logan-FilterBildqualität ↔ FensterungBeugungsobjektScreenshot von BeugungsmusterAbmessungen Beugungsobjekt↔ AbmessungenBeugungsmusterOrdnung n Maxima/Minima↔ Position Maxima/MinimaAnzahl Einzelobjekte ↔Anzahl NebenmaximaSeparabilität Beugungsobjekt↔ SeparabilitätBeugungsmusterSymmetrie Beugungsobjekt↔ SymmetrieBeugungsmusterBegrenzende Einzelform ↔Beugungsmuster imreziproken GitterBeugungsobjekt aus mehrerenEinzelformen ↔ ModulationBeugungsmuster mitBeugungsmuster derEinzelformEinzelform ↔BeugungsmusterY-VerstärkungX- und Y-PositionZeitbasisTriggerlevelScreenshot der SignaleSignalartRücksetzen aufStandardsignalOszilloskopeinstellungen ↔OszilloskopbildAbsorberDetektorabstand ↔ ZerfälleAbsorberdicke ↔ ZerfälleZeit ↔ ZerfälleDetektorwinkel ↔ ZerfälleMagnetische FeldstärkeStrahlungsart61088

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 61• Magnetfeldrichtung (s)• Magnetaktivierung (s)• Absorptionsmaterial (g,s)• Detektorwinkel (s)• Absorberdicke (s,b)VersuchjustierenProbenrad undStandardwerte• Schwächungskoeffizient (b)• Halbwertsdicke (b)(2 + 8)/14 ≡ 71 %14Roboter imLabyrinth6 3 3 2• Bewegungsrichtung (s)• Roboterdrehung (s)(0 + 2)/2 ≡ 100 %ObjektpositionierenRoboter drehenRoboter vor-/zurückbewegen215RutherfordscherStreuversuch6 3 4 1• Kernladungszahl (g,s,b)• Messzeit (s)• Zerfälle (m)• Zählrate (b)• Streuwinkel (s,m)(2 + 3)/5 ≡ 100 %Objekt wählenMessreiheaufnehmenParameterwählenVersuchjustierenMetallfolieStreuwinkel ↔ ZerfälleKernladungszahlMesszeitMetallfolienrad, Streuwinkel516 Weltpendel 4 3 3 2• Pendelmasse (g)• Pendelvolumen (g)• Kugelradius (g)• Drahtlänge (g)• Schwerpunktabstand (g)• Anfangsauslenkwinkel (s)• Breitengrad (s)• Auslenkwinkel (m)• Gesamtzeit (m)ParameterwählenMessreiheaufnehmenAnfangsauslenkwinkelBreitengrad ↔SchwingungsdauerSchwingungsdauerPeriodeAuslenkwinkelGesamtzeit7• Raumtemperatur (m)• Periode (m)Größe messen• Schwingungsdauer (m)• Trägheitsmoment Pendel (g)Raumtemperatur• Dämpfungskonstante (b)• Erdbeschleunigung (b)(5 + 2)/15 ≡ 47 %Objekt wählenFahrzeugtyp17 Windkanal 8 4 5 1• Spannung (m)• Querschnittsfläche Fahrzeug(g)• Dichte der Luft (g)• Windgeschwindigkeit (m,s)• c w -Wert (b)Gerätein-/ausschaltenGröße messenMessreiheaufnehmenParameterwählenWinderzeugerAnemometerMultimeterWindgeschwindigkeitSpannungWindgeschwindigkeit ↔SpannungFahrzeugtyp (c w -Wert)12• Newton´sche Reibungskraft (b)(2 + 1)/6 ≡ 50 %StrahlpräparierenVersuchjustierenWindgeschwindigkeitFahrzeugselektorZusammenhangbeobachtenWindgeschwindigkeit ↔StabbiegungWindgeschwindigkeit ↔FadenrichtungTab. 16: Qualitätsmerkmale des Qualitätskriteriums Interaktivität am Beispiel der RCLsdes RCL-Portals.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 62• Anzahl der Ein- und Ausgabeelemente und Ein- und AusgabegruppenRCLs des RCL-Portals haben zwischen 3 und 17 Eingabe- (Mittelwert 8,8) und zwischen3 und 11 Ausgabeelemente (Mittelwert 5,1). Die Anzahl der Eingabeelemente ist in derRegel größer als der Ausgabeelemente, weil zu den Eingabeelementen auch Buttons zurAusführung vorgewählter Einstellungen beitragen. Die Anzahl der Eingabegruppen liegtzwischen 2 und 10 (Mittelwert 4,0), die der Ausgabegruppen zwischen 1 und 3 (Mittelwert1,7). Die RCLs bieten eine symmetrische und durch die nicht zu kleine und nicht zu großeAnzahl der Ein- und Ausgabegruppen, eine anregende und dennoch überschaubare Interaktionzwischen Besucher und Experiment.• Arten von GrößenIn Tab. 17 wird zwischen gegebenen, bestimmbaren, messbaren und steuerbaren Größeneines RCLs unterschieden. Zur Interaktivität eines RCLs tragen nur die in der RCL-Entwicklung festgelegte Anzahl m messbarer und Anzahl s steuerbarer Größen bei. Daherkann deren Anteil (m + s)/n an der Gesamtzahl n von Größen eines RCLs als Maß fürdie Interaktivität verwendet werden. Der Anteil schwankt bei den RCLs des RCL-Portalszwischen 25 % beim RCL Elektronenbeugung und 100 % z. B. beim RCL Lichtgeschwindigkeit(Mittelwert 68 %). Der Mittelwert zeigt die hohe Interaktivität der RCLs des RCL-Portals.Die Anzahl m messbarer Größen ist bei 4 RCLs (z. B. RCL Weltpendel) höher, bei 2RCLs (z. B. RCL Halbleiterkennlinien) gleich und bei den restlichen 11 RCLs (z. B. RCLOptische Computertomographie) kleiner als die Anzahl steuerbarer Größen. Das RCLWeltpendel ist damit mehr ein Fernmessungsexperiment, das RCL Optische Computertomographiemehr ein Fernsteuerungsexperiment.• Experimentelle AktivitätenZur qualitativen Erfassung der Interaktivität von RCLs sind experimentelle Aktivitäten wiez. B. eine Messreihe aufnehmen besser als Praktikumslernziele wie z. B. Untersuchungsstrategienentwickeln und durchführen 75 geeignet, weil diese unmittelbarer auf das Experimentierenbezogen sind. Beim traditionellen Realexperiment können experimentelle Aktivitätenzum Aufbau, zur Durchführung und zur Auswertung eines Versuchs erfasst werden.Bei RCLs fehlen mit Ausnahme von RCLs zur Elektronik (→ Anhang X.5, IDs 173-176) experimentelle Aktivitäten zum Versuchsaufbau, weil der Aufbau von Versuchennicht mit vertretbarem Aufwand und nur ohne Haptik realisierbar ist. Experimentelle Aktivitätender RCLs des RCL-Portals zur Versuchsauswertung fehlen, weil vielfältige kognitiveWerkzeuge zur Auswertung von Messdaten verfügbar sind (→ VI.2.1), die Laborseite mitAuswertungsmöglichkeiten unübersichtlich wird sowie Beobachten und Messen nichtmehr im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit stehen würde.75Vgl. Schmalenberger 1994, S. 67.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 63Eine Analyse der RCLs des RCL-Portals ergab die in Tab. 16 verwendeten experimentellenAktivitäten Quelle wählen, Objekt wählen, Objekt positionieren, Gerät ein-/ausschalten, Versuch justieren, Strahl präparieren und Parameter wählen zur Bedienungdes RCLs. Für Messungen mit dem RCL wurden die experimentellen Aktivitäten Messreiheaufnehmen, Messergebnisse speichern, Messinstrument einstellen, Messinstrumentwählen, Größe messen und Zusammenhang beobachten identifiziert. Die Anzahl experimentellerAktivitäten in Tab. 16 schwankt zwischen 2 beim RCL Heißer Draht und 15 beimRCL Beugung und Interferenz II (Mittelwert 7,4). Die RCLs des RCL-Portals bilden damitein breites Spektrum experimenteller Aktivitäten zur Versuchsdurchführung ab.Die Anzahl experimenteller Aktivitäten ist in der Regel bei einem RCL kleiner als beimadaptierten traditionellen Realexperiment. Z. B. kann beim RCL Fotoeffekt der Messverstärkerund beim RCL Rutherfordscher Streuversuch der Diskriminator-Vorverstärker desHalbleiterdetektors nicht bedient werden. In Abwägung des Aufwands werden nur diephysikalisch relevantesten experimentellen Aktivitäten angeboten.III.1.7 AuthentizitätUnter Authentizität von RCLs wird im Folgenden verstanden, dass das Experimentieren überdie Laborseite dem Experimentieren von Lernenden mit einem traditionellen Realexperimentwie bei Schülerexperimenten oder Praktikumsversuchen möglichst nahe kommt. Auch wennRCLs zu den Realexperimenten zählen, sind RCLs nicht per se authentisch oder authentischerals andere Physikmedien (→ VI.1.1). Authentizität muss während der Entwicklung vonRCLs durch die Gestaltung der Laborseite und durch experimentelle Aktivitäten (← III.1.6,▪ Experimentelle Aktivitäten) generiert werden:• WebcambilderWährend in Simulationen traditioneller Realexperimente nur statische Skizzen oder Animationendes Versuchsaufbaus verwendet werden (→ VI.2.2, ▪ Simulation zum RCL Fotoeffekt),sind Livebilder von Webcams bei RCLs das wichtigste Mittel zum Erzeugen vonAuthentizität. Laborseiten ohne Webcambilder rücken RCLs in die Richtung einer Simulation(→ Anhang X.5, IDs 217-227).

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 64Der Tab. 18 können die Anzahl und die Funktionen der Webcambilder der RCLs desRCL-Portals entnommen werden:Nr.RCL1 Beugung und Interferenz I 2 x x x2 Beugung und Interferenz II 2 x x x3 Elektronenbeugung 1 x4 Fotoeffekt 1 x x x5 Halbleiterkennlinien 2 x x x6 Heißer Draht 1 x x7 Lichtgeschwindigkeit 2 x x x8 Maut 1 x x x9 Millikan-Versuch 1 x10 Optische Computertomographie 1 x x11 Optische Fourier-Transformation 1 x12 Oszilloskop 1 x13 Radioaktivität 2 x x x14 Roboter im Labyrinth 2 x x x15 Rutherfordscher Streuversuch 1 x x x16 Weltpendel 1 x x17 Windkanal 1 x x x xWebcambilderTeilansicht des VersuchsaufbausGesamtansicht des VersuchsaufbausBeobachten visueller VersuchsergebnisseVerfolgen mechanischer VersuchsabläufeTab. 17: Anzahl und Funktionen der Webcambilder von RCLs desRCL-Portals.Ablesen von Oszilloskopen,Multimetern und AnzeigenAuthentizität wird in den Webcambildern durch statische Bildanteile wie eine Teil- oderGesamtansicht des Versuchsaufbaus und in besonderem Maß durch dynamische Bildanteilewie das Beobachten visueller Versuchsergebnisse, das Verfolgen mechanischerVersuchsabläufe oder das Ablesen von Displays erzeugt. Damit wird das Kohärenzprinzip76 erfüllt, nach dem dekorative oder funktionsarme Bilder die Verarbeitung von Informationenbeeinträchtigen können.• Webcam- und BedienfeldWebcam- und Bedienfeld werden gleichzeitig nebeneinander dargestellt (← II.3.2, Abb.7). Nach dem Kontiguitätsprinzip 77 können Besucher die Durchführung von Aktionen imBedienfeld und Beobachtung von Veränderungen am Experiment im Webcamfeld in einen7677Vgl. Niegemann 2008, S. 54.Vgl. Niegemann 2008, S. 54.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 65inhaltlichen Zusammenhang bringen. Aktionen des Besuchers und Reaktionen des Experimentskönnen wie beim traditionellen Realexperiment eine Interaktionskette 78 bilden.• Fotorealistisch bedienbare GerätefrontenIn Abb. 28 ist am Beispiel der Laborseite des RCLs Oszilloskop dargestellt, wie fotorealistischbedienbare Gerätefronten zur Steigerung der Authentizität eines RCLs beitragenkönnen:Abb. 28: Laborseite des RCLs Oszilloskop (mit Maus/Hand wird Y-Verstärkung eingestellt).Einstellungen an ausgewählten Bedienungselementen des Oszilloskops können mit derMaus vorgenommen werden. Diese auch bei interaktiven Bildschirmexperimenten eingesetzteMethode ist in allen RCLs möglich, die fernsteuerbare elektronische Geräte wie z.B. Oszilloskope, Multimeter oder Messverstärker verwenden.• MessprozessDa RCLs Realexperimente sind, sind Messungen wie beim traditionellen Realexperimentprinzipiell fehlerbehaftet. Angezeigte Messwerte schwanken (z. B. RCL Fotoeffekt) odermehrmalige Messungen führen unter gleichen Versuchsbedingungen zu unterschiedlichenMessergebnissen (z. B. RCL Rutherfordscher Streuversuch). Für eine höhere Authentizitätwerden Werte z. B. von Spannungen, Ströme oder Zerfällen nach Möglichkeitnicht im Bedienfeld ausgegeben, sondern von Messgeräten im Webcambild angezeigt (z.B. RCL Windkanal).78Vgl. Niegemann 2008, S. 294.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 66Eine automatisierte Aufnahme und Darstellung von Messwerten wird nur eingesetzt, wenndies auch beim traditionellen Realexperiment sinnvoll ist (z. B. RCLs Beugung und InterferenzII und Optische Computertomographie). Auf eine automatisierte Auswertung vonMessdaten wird verzichtet, weil vielfältige kognitive Werkzeuge zur Weiterverarbeitungvon Messdaten verfügbar sind (→ VI.2.1). Dazu können von der Laborseite Messergebnissenotiert (z. B. RCL Lichtgeschwindigkeit), Messdaten als Textdatei (z. B. RCL Beugungund Interferenz II) oder visuelle Versuchsergebnisse als Grafikdatei (z. B. RCLElektronenbeugung) auf dem Computer gespeichert werden.• Experimentelle AktivitätenWenn beim Experimentieren mit RCLs hinreichend viele experimentelle Aktivitäten (←III.1.6, ▪ Experimentelle Aktivitäten) wie beim Experimentieren mit traditionellen Realexperimentenangeboten werden, wird Authentizität durch die Interaktivität von Experimentenerzeugt. Experimentelle Aktivitäten sind Voraussetzung zum Erreichen von Lernzielen wiez. B. experimentelle Aktivitäten in der richtigen Reihenfolge durchzuführen, Geräte abzulesenoder die Intervallschritte für die Variation der unabhängigen Größe geeignet zu wählen.79III.2 EvaluationBei der Evaluation von Medien wird zwischen experten- und nutzerorientierten Methoden unterschieden.Der Vergleich zwischen drei themengleichen RCLs (→ III.2.1) ist eine rein expertenorientierte,heuristische Methode der Qualitätsbeurteilung anhand einer Checklistedurch einen Doppelexperten mit Kenntnissen zur Ergonomie von Medien und zu Fachinhalten.Die Qualitätsbeurteilung von RCLs anhand der Daten eines Besucher-Trackings (→III.2.2) ist mehr eine nutzerorientierte Methode, weil die tatsächliche Nutzung von RCLs ausgewertetwird. Eine Einschätzung der Unterrichtstauglichkeit von RCLs durch Lehrkräfte (→III.2.3) ist sowohl nutzer- wie expertenorientiert, weil Lehrkräfte die RCLs aus Sicht eines Unterrichtsexpertenund Nutzers beurteilen.III.2.1 Vergleich themengleicher RCLsDie Beurteilung der Qualität eines RCLs erfolgt wegen der Unterschiede zwischen RCLs undder strukturellen Unterschiede zwischen den Physikmedien durch Vergleich themengleicherRCLs. In Tab. 19 werden exemplarisch die drei RCLs Single and double slit 80 (→ AnhangX.5, ID 182), Diffraction on microobjects 81 (→ Anhang X.5, ID 15) und Diffraction and Interfe-798081Vgl. Schmalenberger 1994, S. 69-70.Vgl. RCL Single and double Slit.Vgl. RCL Diffraction on microobjects

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 67rence II 82 (→ Anhang X.5, ID 201) zum Thema Beugung und Interferenz anhand einer summarischenCheckliste 83 mit Qualitätskriterien und -merkmalen (← III.2) evaluiert. Stabilitätund Verfügbarkeit der RCLs wurden zwei Wochen lang täglich geprüft. Zahlenangaben inden letzten drei Spalten verweisen auf die entsprechenden Stellen der Laborseiten in Abb.30, Abb. 31 und Abb. 32.QualitätskriteriumBereichKurzformQualitätsmerkmalErläuternde FrageRCLSingle and doubleSlitAbb. 29Technische UniversitätBerlinRCLDiffraction on microobjectsAbb. 30Universität PragRCLDiffraction and InterferenceIIAbb. 31Technische UniversitätKaiserslauternVerfügbarkeit-StabilitätVerfügbarkeitWie hoch ist der Zeitanteileines funktionierendenRCLs?Wie hoch ist der Zeitanteileines verfügbarenRCLs?0 %Laser nichteinschaltbar100 % 100 %0 % 100 % 100 %BarrierefreiheitRCLAllgemeinExistenzWebseiteRegistrierung/AnmeldungEingeschränkterNutzerkreisPersönlicheDatenBuchungSprachenLinkfunktionLadezeitZusatzsoftwareTestfragenKostenpflichtigkeitLinksucheExistiert zum RCL eineWebseite?Ist das RCL ohne Registrierungund Anmeldungzugänglich?Ist das RCL allen Nutzergruppenzugänglich?Ist das RCL ohne Angabepersönlicher Daten(außer E-Mail-Adresse) zugänglich?Ist das RCL ohne Buchungvon Experimentierzeitenzugänglich?Ist die Laborseite desRCL mindestens inenglischer Spracheverfügbar?Funktioniert der Linkzur Laborseite desRCLs?Ist die Ladezeit der Laborseitekürzer als ca.3 s?Wird keine Zusatzsoftwarebenötigt?Müssen zur Nutzungdes RCLs keine physikalischenFragen beantwortetwerden?Ist das RCL kostenlosverfügbar?Ist auf der Webseiteder Link zum RCLleicht zu finden? Nein LabVIEW RTE Java JRE Nicht hervorgehoben,Satz als Link8283Vgl. RCL-Portal unter englischer Version/RCLs/Diffraction and Interfence II.Vgl. Beier 2002, S. 91.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 68StatusanzeigeWird auf der Webseiteüber die Verfügbarkeitvon RCLs informiert?Nein Nein NutzerfreundlichkeitEin- und AusgabeWebcambilderScrollenPopup-FensterAnordnung vonElementenGruppierung vonEin- und AusgabeelementenRedundante EinundAusgabeelementeRückmeldungenEin- und AusloggenFunktionvon BildernDiagrammeAnzeigeLadezeitRuckelfreiheitSchärfeGröße/AuflösungVersuchsaufbauin TotaleÜbersichtlichkeitVersuchsaufbauErkennbarkeitVersuchskomponentenWird Scrollen der Laborseitevermieden?Werden keine oder nursinnvolle Popup-Fenster eingesetzt?Sind alle Elementeübersichtlich und funktionellangeordnet?Sind Ein- und Ausgabeelementeübersichtlichzu wenigen, einheitlichstrukturiertenEin- und Ausgabegruppenzusammengefasst?Ist die Anzahl der EinundAusgabeelementeauf das Notwendigstereduziert?Erhält der Nutzer aufjede Aktion eineRückmeldung?Ist das Ein- und Ausloggentransparentausgeführt?Wird auf der Laborseiteüber die verbleibendeExperimentierdauer informiert?Ist die Funktion vonBildern mehr als nurdekorativ?Sind Diagramme sinnvollund ausreichendgroß?Werden die Webcambilderangezeigt?Werden Webcambilderin weniger als ca. 3 sdargestellt?Werden Bewegungenruckelfrei wiedergegeben?Sind die Webcambilderausreichend scharf?Ist die Größe/AuflösungderWebcambilder mindestens320 x 240 Pixel?Existiert ein Webcambilddes Versuchsaufbausin der Totale?Ist der in Webcambilderndargestellte Ausschnittdes Versuchsaufbausübersichtlichgestaltet?Sind alle für die VersuchsdurchführungrelevantenVersuchskomponentengut erkennbar? Nein Elemente sind willkürlichangeordnet (3)Buttons und Text fließenineinander überButtons "Single Slit"und "Double Slit"reichen (5)Elemente zu dicht beieinander(2)Gruppierungen nicht erkennbarAblauf der Experimentierdauerwird in fünfFeldern gleichzeitig angezeigtWährend der Wartezeitauf das Webcambildfehlt "Webcambild wirdgeladen"Nein NeinInformationen zur ExperimentierdauerunterBedienungBei Zugriff eines weiterenNutzersAnzeige "Kein wartenderNutzer" fehlt (3)- - -- Wartezeit bis zu 30 swegen Java JRE- Nein Nein Nein- Gitterraster nicht erkennbar(11)Lineal schlecht ablesbar(14)

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 69FunktionalitätTextinformationenAllgemeinPerspektiveMitbeobachtungSpracheRedundanteÜberflüssigeFehlendeFalsche oder unverständlicheFalschplatzierteAbkürzungenÜberflüssigeFunktionenSind Ausschnitt undBlickrichtung derWebcams auf den Versuchsaufbausinnvollgewählt?Können wartende NutzerAktionen des aktuellenNutzers in denWebcambildern beobachten?Sind alle Texte in einheitlicherSprache verfasstund grammatikalischfehlerfrei?Sind keine redundantenInformationen vorhanden?Sind keine überflüssigenInformationen vorhanden?Sind alle Informationenzur Versuchsdurchführungund -auswertungvorhanden?Sind alle Informationeninhaltlich richtig?Sind Informationen inunmittelbarer Nähezum Bezugsobjektplatziert?Wird auf Größensymboleund sonstige Abkürzungenverzichtet?Sind alle Funktionensinnvoll?Ungewohntes senkrechtesBeugungsmuster(10)Schlechte schräge Blickrichtungauf das Beugungsmuster(13) Mischung Englisch undDeutsch (1) und nichtfehlerfrei (2)Bezeichnungen "singleslit" und "double slit"können mit Buttonsverwechselt werden (4)Nicht fehlerfrei (1)Angabe der Wellenlängen,Laser color, AusgabeFarbe können inzwei Buttons "Laser -Wellenlänge 632 nm"und "Laser - Wellenlänge532 nm" zusammengezogenwerden (4)3 x data-recording (5)3 x automatic movement(6)Text überflüssig (6) Wellenlänge, Spaltbreiteund Spaltabstandnicht angegeben(9)VI (Virtual Instrument)ist nicht allen Nutzernbekannt (8)Isolierte Darstellungdes Webcambildsüberflüssig (7)Menüpunkte Bearbeitenund Ausführenüberflüssig (12)Achsenbeschriftung fehlt(7)Bei "Real position", "Desiredposition" und "Intensity"fehlen die Einheiten(8)In der Messdatendateifehlen die EinheitenBreite des Lichtsensorsund Spaltbreite nichtangegeben (12)"Semicolon-separated"wäre richtig (9)"Keep-Experiment-ID"unverständlich, besser"Messdaten überschreiben"(10)Achsenbeschriftungnicht an den Achsen(11)Umschalten der Auflösung(bei low Webcambildzu klein) und keinBild machen keinen Sinn(15)Speichern des Intensitätsverlaufsauf RCL-Server überflüssig, weileigene Messung nur ca.1 min dauert (16)Besucherzahl sagt ohneZeitraum l nichts aus(17)Breite Lichtsensor unteroberes Webcambild(1)

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 70KonzeptionAutomatisierte MessungZielgerichtetheitRedundanteFunktionenUnverständlicheFunktionenDefekte oder eingeschränkteFunktionenEinzelmessungenSpeicherung vonMessdatenGraph löschenRichtzielSchulstufe undStudienabschnittLehrplanSind keine Funktionenredundant?Sind alle Funktionenverständlich?Sind alle Funktionenausführbar?Können bei automatisierterAufnahme einerMessreihe einzelneWerte gemessen werden?Können bei automatisierterMesswertaufnahmedie Messdatenauf dem Computer desNutzers gespeichertwerden?Kann bei automatisierterMesswertaufnahmeder Graph von Messwertengelöscht werden?Sind die Inhalte geeignetum physikalischeBegriffe, Zusammenhänge,Modelle, technischeAnwendungen,Naturphänomene, usw.zu verstehen?Sind die Inhalte auf einebestimmte Schulstufeoder Studienabschnittoder auf mehrereabgestimmt? Welche?Sind die Inhalte Teildes Lehrplans vonSchulen und Hochschulen?Sind die Inhalte außerhalbder Standard-Lehre in Projekten, Arbeitsgruppenoder zumSelbststudium einsetzbar?Pfeilsymbol unverständlich(13)"Stop VI" gestoppt?(14)Funktion des Symbolsunverständlich (15)Laser kann nicht eingeschaltetwerden"Bearbeiten/Auf Standardwertezurücksetzen"führt auf nichtmehr funktionsfähigenLogin (16)Bewegter Lichtsensorund Messpunkte im Diagrammersetzen mitlaufendenBalken bei Intensitätsmessung(18)Automatik und Fast automaticMeasurementergeben gleichen Intensitätsverlauf(19)Laserfarbe im Webcambilderkennbar (20)Schnelligkeit der Messunghier unwichtig,Schrittweite und Breitedes Sensors fehlt (21)Begriff "real" unklar, real-und desired positionstets gleiche Werte (22)Die Daten unter "Valuesfor Excel" lassen sichnicht in Excel importieren(23)Nicht alle Beugungsmusterwerden wegeninstabiler Positionierungder Beugungsobjektesauber dargestellt- Nein- - NeinNeinZu wenige Parameterwerteum das PhänomenBeugung experimentellzu studierenSekundarstufe IINeinZu wenige Parameterwerteum das PhänomenBeugung experimentellzu studierenSekundarstufe IISekundarstufe II undGrundstudium NeinNeinSelbststudium

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 71InteraktivitätExperimente-FachlicheRichtigkeitMehrwertVernetzungVollständigkeitEin- und AusgabeelementeArt der GrößenExperimentelleAktivitätenSind zur Aufnahme vonMessreihen die Anzahlund der Bereich derWerte unabhängigerGrößen richtig gewählt?Stimmen experimentelleErgebnisse mit theoretischenVorhersagenund Literaturwerten imRahmen von Annahmenund Messfehlernüberein?Bietet das RCL einenMehrwert in den experimentellenFeatures,den Inhalten, der Lehr-Lern-Organisation oderFormen des Lernensmit Experimenten (←III.3.1)?Sind die Inhalte einzelnerExperimente vernetztoder stehen sienur isoliert nebeneinander?Wird im Rahmen desThemas eine gewisseVollständigkeit der Inhalteerzielt?Wie viele Eingabeelemente(Eingabegruppen)sind vorhanden?Wie viele Ausgabeelemente(Ausgabegruppen)sind vorhanden?Welche Größen sindgegeben (g), bestimmbar(b), steuerbar (s)oder messbar (m)?Wie groß ist der Anteil(s + m)/n steuer- undmessbarer Größen ander Gesamtzahl allerGrößen?Welche speziellen experimentellenAktivitätenwerden angeboten?Wie viele werden angeboten?- Nicht überprüfbarStrecken im BeugungsmusternichtmessbarWellenlänge, Spaltbreiteund Spaltabstandnicht angegebenNeinNein, singuläres StandardexperimentNicht überprüfbarWegen zu großer, nichtangegebene Breite desLichtsensors sind imWebcambild erkennbareMaxima/Minima nichtmessbarAutomatisierte Messungder Intensitätsverteilungals experimentelles FeatureNein, singuläres Standardexperiment 84← III.3.1, Tab. 23, Nr.2Formel Intensitätsverteilungeines GittersNein Nein 3 (2-3) 15 (-) 16 (8)1-2 (1) 11 (4) 9 (3)Spaltanzahl (g,s)Abstand Beugungsobjekt- Schirm (g)Wellenlänge (b)Position im Beugungsmuster(m)Abstand Beugungsobjekt- Schirm (g)Spaltanzahl (g)Wellenlänge (g,b)Spaltbreite (g,b)Position im Beugungsmuster(s,m)Lichtintensität (m)← III.1.6, Tab. 17, Nr.2(1 + 1)/4 ≡ 50 % (1 + 2)/6 ≡ 50 % (1 + 5)/10 ≡ 60 %Laser einschaltenEinfach- oder DoppelspaltwählenMessreihe Ordnung ↔Position Maxima/MinimaSpaltbreite wählenWellenlänge wählenLichtintensitätsmesswertespeichernBewegungsgeschwindigkeitLichtsensor einstellenMessreihe Position imBeugungsmuster ↔Lichtintensität← II.1.6, Tab. 16, Nr.23 5 1584Vgl. Gröber 2009.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 72AuthentizitätWebcambilderMessgeräteAnzahlFunktionPositionFotorealistischbedienbare GerätefrontenMessaufgabeAusgabe vonMesswertenIst mindestens einWebcambild vorhanden?Wie vieleWebcambilder?Erfüllen Webcambildermehr als eine dekorativeFunktion? Welche?Werden Webcambilderzusammen mit demBedienfeld dargestellt?Werden fotorealistischbedienbare Gerätefrontenverwendet?Werden möglichst einfache,der MessaufgabeangemesseneMessgeräte eingesetzt?Werden Werte vonMessgrößen möglichstauf Multimetern imWebcambild ausgegeben?1Darstellung BeugungsmusterMessen von Abständenim Beugungsmuster1Darstellung BeugungsmusterVerfolgen BewegungLichtsensor2Darstellung BeugungsmusterVerfolgen BewegungLichtsensorMessen von Abständenim Beugungsmuster - - -- - -- - -Tab. 18: Checkliste zum Qualitätsvergleich von drei RCLs zur Beugung und Interferenz ("-" Qualitätsmerkmalnicht anwendbar).

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 73Abb. 29: Laborseite des RCLs Single and double slit.Abb. 30: Laborseite des RCLs Diffraction on microobjects.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 74Abb. 31: Laborseite des RCLs Diffraction and Interference II.Als zusammenfassendes Ergebnis der Evaluation kann festgehalten werden:• RCL Single and double slit (Technische Universität Berlin)Das RCL ist nicht verfügbar, hat die schlechteste Barrierefreiheit und die geringste Interaktivität.Auch, wenn der Laser funktionieren würde, könnte das Experiment von Lernendennicht durchgeführt werden, weil keine Streckenmessung im Beugungsmuster möglichist und auf der Webseite keine Angaben zur Wellenlänge und der Geometrie der Beugungsobjektezu finden sind. Es bleibt unklar, wie das RCL in einem Online-Praktikum 85genutzt werden konnte.• RCL Diffraction on microobjects (Universität Prag)Das RCL ist schlecht konzeptioniert, weil entgegen der Erwartung die Messung derLichtintensitätsverteilung mit dem zu breiten Lichtsensor zu teilweise schlechteren Ergebnissenführt als die subjektive Beobachtung des Beugungsmusters. Die Funktionalität isteingeschränkt, weil programmiertechnisch überflüssige und redundante Funktionen denNutzer beim Experimentieren behindern und die Authentizität mindern. Zusammen mitden schlecht angeordneten und gruppierten Ein- und Ausgabeelemente hat das RCL eineschlechte Nutzerfreundlichkeit.• RCL Diffraction and Interference II (Technische Universität Kaiserslautern)In allen Qualitätskriterien ist das RCL besser als die beiden anderen RCLs. Hervorzuhebensind die gute Konzeption und die mit Abstand höhere Interaktivität. Das RCL bietetderzeit noch nicht im vollem Umfang bessere Beugungsmuster.III.2.2 Besucher-Tracking des Experimentierens mit RCLsHinweise auf die Qualität von RCLs ergeben sich aus einer differenzierten Auswertung vonDaten des Besucher-Trackings (← II.5.1, ▪ Besucher-Tracking der Laborseite von RCLs mitLogdateien). Folgende Aussagen zum Umfang und der Qualität des Experimentierens mitRCLs können gemacht werden:• UmfangDer Tab. 20 können für mehrere RCLs die Anzahl der Besuche im Erhebungszeitraum,die möglichen Aktionen, die maximal registrierte Anzahl von Aktionen und Experimentierdauerund der Anteil Besucher mit einer bestimmten Anzahl von Aktionen entnommenwerden:85Vgl. Remote Farm – Online Praktikum.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 75RCLLichtgeschwindigkeitFotoeffektRadioaktivitätElektronenbeugungWindkanalMautErhebungszeitraum01.12.2008 -30.11.200901.06.2008 -31.05.200901.06.2008 -30.06.200901.06.2007 -31.01.200901.06.2007 -31.01.200901.06.2007 -28.02.2009Besucher917103792432922570Verfügbare Aktionen (Anzahl)Spiegelabstand vergrößern, Spiegelabstand verkleinern,Spiegelabstand messen, Höhe des Referenzsignalseinstellen, Höhe des Messsignals einstellen(5)Quecksilberdampflampe einschalten, Farbfilter wählen,Graufilter wählen, Experiment justieren (3)Abstand Geiger-Müller-Zählrohr einstellen, WinkelGeiger-Müller-Zählrohr einstellen, Magnetfeldrichtungeinstellen, Magnet ein- oder ausschalten, radioaktivenStrahler wählen, Absorber wählen, Messdauer einstellen,Zeit zwischen Zerfällen messen, Experiment justieren(9)Elektronenbeugungsröhre einschalten, Beschleunigungsspannungeinstellen (2)Modellfahrzeug wählen, Strömungserzeuger ein- oderausschalten, Strömungsgeschwindigkeit einstellen,Anemometer ein- oder ausschalten, Multimeter einoderausschalten, Experiment justieren (6)Maximale Anzahl AktionenMaximale Experimentierdauerin hAnteilBesucher in %0 – 5 Aktionen6 – 10 Aktionen> 10 Aktionen419 4,0 17 29 54124 1,5 20 32 48426 4,5 25 17 58140 1,5 - - -95 1,5 - - -1084 Zug starten, Zug stoppen, Zähler löschen (3) 203 1,2 - - -Tab. 19: Umfang des Experimentierens mit RCLs.Bei RCLs mit kleinerer Anzahl von Aktionen liegt tendenziell auch eine kleinere Anzahl anmaximal durchgeführten Aktionen vor. Beim RCL Maut wird abweichend eine zu hohemaximale Anzahl von Aktionen registriert, weil das RCL zum Spielen anregt. Das großeVerhältnis von maximaler Anzahl von Aktionen zur Anzahl verfügbarer Aktionen und diehohen maximalen Experimentierdauern zeigen die Bedeutung eines nicht angeleitetenund zeitlich unbegrenzten Experimentierens. Unabhängig vom RCL zeigt die Verteilungder Anzahl von Aktionen, dass etwa die Hälfte der Besucher weniger als 10 und die andereHälfte mehr als 10 Aktionen ausführt. Beim RCL Lichtgeschwindigkeit liegt der AnteilBesuche mit Durchführung aller verfügbaren Aktionen bei 65 %. Dies deutet darauf hin,dass Besucher schnell einen Überblick auf der Laborseite gewinnen und das RCL selbsterklärendist.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 76Abb. 32 zeigt die Verteilung der Experimentierdauer von 1629 Besuchen des RCLs Elektronenbeugungim Zeitraum 17.06.09 - 17.01.10:Abb. 32: Verteilung der Experimentierdauer von Besuchen des RCLsElektronenbeugung (Intervallbreiten 1 min zwischen 0 und 5min und 5 min zwischen 5 und 30 min Experimentierdauer (N =1629).27 % der Besuche verlaufen ohne zu Experimentieren (Experimentierdauer 0 min). Amhäufigsten wird maximal 1 min experimentiert. Bei 87 % der Besuche ist die Experimentierdauerkürzer als 5 min, bei 13 % länger als 5 min. Die niedrig erscheinende mittlereExperimentierdauer von 2,5 min ist auf die geringe Anzahl und die Art experimenteller Aktivitätenbeim RCL Elektronenbeugung zurückzuführen (← III.1.6, Tab. 17, Nr. 1). Im Vergleichzu den überwiegend punktuellen Beobachtungen des Beugungsmusters beim Demonstrationsexperimentkönnen die Besucher des RCLs durchgehend Veränderungenam Beugungsmuster beobachten. Die summierte Experimentierdauer aller Besuche imUntersuchungszeitraum beträgt ca. 0,5 Tage, die eine geringe zeitliche Auslastung desRCLs von 0,5/180 ≡ 0,3 % ergibt.• QualitätFür das RCL Elektronenbeugung mit nur zwei verfügbaren Aktionen kann die Qualität mitder Besucher experimentieren anhand der Skala in Abb. 33 eingeschätzt werden:

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 77Abb. 33: Experimentierqualität von Besuchern des RCLs Elektronenbeugung (N = 1629).In 41 % der Besuche wird das RCL ausprobiert: Die Laborseite wird ohne zu Experimentierenaufgerufen (keine Aktion), eine oder mehrere Spannungen werden gewählt ohnezuvor die Elektronenbeugungsröhre einzuschalten (Spannungen) oder nur die Elektronenbeugungsröhrewird eingeschaltet (Röhre an).In 31 % der Besuche wird qualitativ mit dem RCL experimentiert: Die Elektronenbeugungsröhrewird eingeschaltet und es werden eine Beschleunigungsspannung (Röhre an& eine Spannung) oder mehrere, statistisch gewählte Beschleunigungsspannungen (Röhrean & mehrere Spannungen) angelegt.In 28 % der Besuche wird quantitativ mit dem RCL experimentiert: Die Elektronenbeugungsröhrewird eingeschaltet und es werden systematisch eine (Röhre an, eine Messreihe)oder mehrere Messreihen (Röhre an & mehrere Messreihen) aufgenommen.In Abb. 34 wird die Qualität des Experimentierens beim RCL Lichtgeschwindigkeit anhandder Anzahl durchgeführter Messungen der Laufstrecke des Lichts erfasst:Abb. 34: Verteilung der Anzahl Streckenmessungen beim RCLLichtgeschwindigkeit (N = 917).

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 78In etwa der Hälfte aller Besuche kann im s-t-Diagramm mit mehreren Messungen und derSteigung einer Ausgleichsgeraden die Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden.Die Aktionenfolge einzelner Besuche des RCLs Lichtgeschwindigkeit zeigt exemplarisch,dass RCLs des RCL-Portals individuelle Vorgehensweisen beim Experimentieren ermöglichen:Die Laufstrecke des Lichts wird mehrfach zur Überprüfung der Reproduzierbarkeitder Messung gemessen, der Zug mit dem Reflektor wird längere Zeit zum Spielen oderzur Beobachtung des Zusammenhangs mit der Oszilloskopanzeige hin- und her bewegt,es wird eine Strecken- und Zeitmessung zur schnellen Bestimmung der Lichtgeschwindigkeitdurchgeführt, es werden eine oder mehrere systematische oder unsystematischeMessreihen zur genaueren Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durchgeführt, es wird inkürzester Zeit eine systematische Messreihe aufgenommen oder die Höhen der beidenSignale auf dem Oszilloskopschirm werden für eine exakte Zeitmessung sehr sorgfältigangeglichen.III.2.3 Beurteilung der RCLs durch LehrkräfteAuf Fortbildungen hatten Lehrkräfte Gelegenheit mit gewählten RCLs des RCL-Portals zuexperimentieren (→ VII.3.1, Tab. 51, Nr. 3). 88 Lehrkräften wurde auf vier Fortbildungen (→VII.3, Tab. 49, Nr. 10, 11, 12, 14) die Frage "Wie gut eignet sich das RCL für den Unterrichtseinsatz"mit einer Antwortskala zwischen -2 (negativste Einschätzung) und +2 (positivsteEinschätzung) gestellt. Die Ergebnisse zeigt Tab. 21:Nr. RCL -2 -1 0 +1 +2 Anzahl MittelwertStandardabweichung1 Beugung und Interferenz II 0 1 3 5 23 32 1,6 0,82 Fotoeffekt 0 0 2 13 19 34 1,5 0,63 Radioaktivität 0 0 2 6 8 16 1,4 0,74 Beugung und Interferenz I 0 0 5 7 8 20 1,2 0,85 Elektronenbeugung 0 0 7 6 8 21 1,0 0,86 Rutherfordscher Streuversuch 0 0 6 11 5 22 1,0 0,77 Lichtgeschwindigkeit 1 1 5 21 5 33 0,8 0,88 Weltpendel 5 4 5 20 10 44 0,6 1,29 Optische Computertomographie 1 0 6 2 0 9 0,0 0,810 Optische Fourier-Transformation 0 0 1 0 0 1 0,0 0,011 Oszilloskop 5 7 5 8 4 29 0,0 1,312 Windkanal 1 0 4 2 0 7 0,0 0,913 Halbleiterkennlinien 4 2 9 2 1 18 -0,3 1,114 Roboter im Labyrinth 2 1 2 0 0 5 -1,0 0,915 Heißer Draht - - - - - - - -16 Maut - - - - - - - -17 Millikan-Versuch - - - - - - - -Alle RCLs 19 16 62 103 91 291 0,8 1,1Tab. 20: Beurteilung der Unterrichtstauglichkeit der RCLs des RCL-Portals durchLehrkräfte (- RCL zum Zeitpunkt der Fortbildungen nicht verfügbar).

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 79Tendenziell werden von den Lehrkräften unterrichtsnahe RCLs besser wie unterrichtferneRCLs beurteilt. Der Mittelwert des RCLs Optische Computertomographie zeigt, dass Lehrkräfteauch komplexere, schulferne Themen von RCLs als unterrichtsgeeignet einschätzen.Insgesamt wird die Mehrzahl der RCLs positiv und im Mittel mit 0,8 beurteilt.III.3 EntwicklungNicht bei allen RCLs im RCL-Projekt ist es sofort gelungen langfristig stabile, qualitativhochwertige RCLs zu entwickeln und dauerhaft zu betreiben. Tab. 22 gibt eine Übersichtsolcher RCLs und erläutert die Hintergründe bzw. Probleme:Verbesserte RCLsAußer Betrieb genommen RCLsRCLHeißer DrahtOptischeComputertomographieRoboter im LabyrinthBeugung und Interferenz IBeugung und Interferenz IIHeißer DrahtElektronen in FeldernH 2 -BrennstoffzelleOptische PinzetteWärmebildkameraHalbleiterkennlinien(Schülerprojekt)Hintergrund/Problem• In 2008 Fischertechnik-Interface durch besseres Eigenbau-Interfaceersetzt• In 2007 erstes RCL durch verbesserte Version ersetzt• In 2008 Roboter durch mechanisch und elektrisch verbesserte Versionersetzt• In 2006 erstes RCL mit Fischertechnik-Interface und photographischhergestellten Beugungsobjekten durch RCL Beugung undInterferenz I mit mehr und photolithographisch hergestellten Beugungsobjektenersetzt• In 2009 gegenüber Beugung und Interferenz I verbessertes RCLBeugung und Interferenz II mit mehr und elektronenlithografischhergestellten Beugungsobjekten entwickelt• In 2008 RCL wegen anhaltenden Problemen mit der instabilen Mechanikaußer Betrieb genommen• Probleme mit Java-Software in 2006, für die kein Wartungspersonalmehr zur Verfügung steht, weil die Firma Netzmedien nicht mehrexistiert• Technische Probleme• Wartungsaufwand der Suspension für Mikroobjekte zu hoch• Wechsel zwischen Praktikums- und RCL-Betrieb führte zur häufigenDejustage der Mechanik• Außer Betrieb genommen, weil teuere, geliehene Wärmebildkamerazurückgegeben werden musste• In 2010 wurde der Reparaturaufwand aufgrund konstruktiver Mängelzu hochNicht fertig realisierteRCLsMagnetfelderOrdnungs-Unordnungs-ÜbergängeThomson´scherMassenspektrograph• Funktionsuntüchtiges RCL wegen unzureichend durchgeführterVorversuche• Probleme wegen schlechter Planung und Durchführung der Entwicklungdes RCLs• Existierender Vorschlag bisher nicht umgesetztTab. 21: Verbesserte, außer Betrieb genommene und nicht fertig realisierte RCLs imRCL-Projekt.Es werden die Mehrwertstrategie, Entwicklungsstrategien sowie eine stärkere Standardisierungdes Entwicklungsprozesses und der Versuchskomponenten von RCLs vorgestellt, mitderen Anwendung folgende Ziele angestrebt werden:

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 80• Steigerung und Sicherung der Qualität von RCLs• Langfristig geringere Kosten für die Entwicklung und Wartung von RCLs• Kürzere Entwicklungszeiten von RCLs im Hinblick auf verkürzte Zeiten zur Anfertigungvon Staatsexamensarbeiten im Rahmen des Bachelor-Master-Studiengangs für das Lehramt.III.3.1 MehrwertstrategieVerfügbarkeit, Barrierefreiheit, Nutzerfreundlichkeit, Funktionalität, Authentizität, Konzeptionund Interaktivität erfassen die Qualität von RCLs. Im Rahmen einer Mehrwertstrategie solltenRCLs darüber hinaus Lehrenden und Lernenden greifbare Vorteile bei der Nutzung, also einenMehrwert bieten. RCLs werden dadurch konkurrenzfähig gegenüber anderen Physikmedienoder traditionellen Realexperimenten und Lehrende können längerfristig an RCLsgebunden werden. Weil Lehrende RCLs vorrangig mit traditionellen Realexperimenten vergleichen,müssen Qualität und Features des RCLs mindestens so gut wie ein vergleichbarestraditionelles Realexperiment sein. Überlegungen zum Mehrwert eines RCLs müssen frühzeitigim Entwicklungsprozess (→ III.3.3, Tab. 24, Vorüberlegungen) erfolgen, da diese einenhohen Einfluss auf die Qualität des RCLs haben.Zu unterscheiden ist zwischen gemeinsamen Mehrwerten aller RCLs und additiven, spezifischenMehrwerten einzelner RCLs. RCLs verfügen über drei gemeinsame Mehrwerte: RCLssind im Gegensatz zu Simulationen Realexperimente, mit RCLs können im Gegensatz zutraditionellen Demonstrationsexperimenten auch Lernende experimentieren und mit RCLskann weitgehend zeit- und ortunabhängig experimentiert werden. In Tab. 23 sind spezifischenMehrwerte der RCLs des RCL-Portals zusammengestellt:Nr. RCL Spezifischer Mehrwert123Beugung undInterferenz IBeugung undInterferenz IIElektronenbeugung4 Fotoeffekt• Qualitatives Beobachten von Veränderungen im Beugungsmuster bei Veränderung vonSpaltanzahl, Spaltbreite und Spaltabstand des Beugungsobjekts durch schnellen Wechsel der40 Beugungsobjekte• Bestimmung der Lage von Maxima/Minima im Beugungsmuster und der Wellenlänge des Lasers• Hochwertige Beugungsmuster durch elektronenlithographisch hergestellte Beugungsobjekte• Qualitatives, exploratives und quantitatives Experimentieren durch 153 Beugungsobjekten mitvariabler Spaltanzahl, Spaltbreite und variablem Spaltabstand sowie durch Wahl unter 5 Wellenlängenund durch schnellen Wechsel der Beugungsobjekte• Auswahl zwischen 3 Messmethoden: Vergleich von Beugungsmustern mit Screenshots, Messungvon Abständen im Beugungsmuster mit Lineal und automatisierte Messung des Lichtintensitätsverlaufsim Beugungsmuster mit Lichtsensor• Deckt einen großen Teil des Gebiets Wellenoptik durch Vielzahl von Experimenten ab• Lernende können mit dem einzigen und zentralen Schulexperiment zur Quantenphysik vonElektronen experimentieren• Genauere Messung der Ringdurchmesser als beim traditionellen Realexperiment durchScreenshots des Beugungsmusters und Auswertung mit Grafikprogramm• Messung der Frequenzabhängigkeit der Elektronenenergie mit 5 anstatt der meist an Schulenvorhandenen 3 Frequenzfiltern• Nachweis der Intensitätsunabhängigkeit der Elektronenenergie, der in Schulen mit veralteten

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 815Halbleiterkennlinien6 Heißer DrahtFotozellen oft nicht gelingt• Schnelle, einfache Versuchsdurchführung durch ferngesteuerten Wechsel von Frequenz- undGraufiltern• Vergleich von Kennlinien mehrerer elektronischer Bauelemente• Durch schnelle Messmethode im X-Y-Betrieb eines Oszilloskops (keine Aufnahme von einzelnenMesswertpaaren) steht Verständnis des Kennlinienverlaufs im Vordergrund• Affektives, spielerisches und von allen Besuchern durchführbares Experiment• Motivation zur Auseinandersetzung mit Fernsteuerungstechnik7 Licht-geschwindigkeit• Viele Schulen besitzen nur den Versuch zur Lichtgeschwindigkeitsbestimmung nach Foucaultoder nach der Phasenmethode. Die Lichtgeschwindigkeitsbestimmung mit der Laufzeit vonLichtimpulsen ist eine verständlichere, schnellere und genauere Meßmethode• RCL kann in Sekundarstufe I und II eingesetzt werden• Affektiver Versuch durch fernsteuerbare Spielzeuglokomotive8 Maut • Modellexperiment zum Verständnis eines modernen technischen Systems• Berühmtes Experiment zur Bestimmung der Elementarladung91011Millikan-VersuchOptische ComputertomographieOptische Fourier-Transformation12 Oszilloskop13 Radioaktivität1415Roboter imLabyrinthRutherfordscherStreuversuch16 Weltpendel17 Windkanal• Zeitaufwendige Versuchsdurchführung kann durch Lernende außerhalb von Lernzeiten erfolgen• Möglichkeit in Gruppen genügende Anzahl von Messungen zusammenzutragen und auszuwerten• Neues Modellexperiment zum Funktionsprinzip der Computertomographie• Experimente zur Steuerung der Qualität computertomographischer Bilder• Vielfältige inhaltliche Bezüge zur Physik, Mathematik, Informatik und Medizin• Fourier-Transformation ist grundlegend für Naturwissenschaft und Technik• Neues RCL mit anwendungsorientiertem Zugang über die Beugung von Licht zu den mathematischenGrundlagen der Fourier-Transformation• 156 elektronenlithographisch hergestellte Beugungsobjekte erlauben qualitative und quantitativeVergleiche zwischen experimenteller und theoretischer Intensitätsverteilung• Sowohl quantitativer, systematischer Zugang zur Fourier-Transformation in der Hochschulausbildungals auch qualitative, phänomenologische Vorbereitung der Fourier-Transformationin der Schulausbildung• Ersetzt teures Oszilloskop bzw. fehlende Gerätesätze für Schüler• Motivation für Schüler kompliziertes Messinstrument zu bedienen und Vorbereitung auf Praktikummit Oszilloskopen• Gefahrloses Experimentieren von Lehrenden und Lernenden mit radioaktiver Strahlung• Deckt eine Vielzahl von Experimenten des Themengebiets Radioaktivität ab wie z. B. Abstandsgesetz,Absorptionsgesetz, Identifizierung radioaktiver Strahlung, Statistik des radioaktivenZerfalls• Ersatzexperiment für Schulen mit fehlendem, teuren Experimentiermaterial zur Radioaktivität• Affektives, spielerisches und von allen Besuchern durchführbares Experiment• Motivation zur Auseinandersetzung mit Fernsteuerungstechnik• Historisch bedeutender und in Schulen selten verfügbarer Versuch der Kernphysik• Höhere Winkelauflösung und Streumaterialwechsel ohne zeitaufwendiges Belüften der Vakuumkammerals das traditionelle Realexperiment• Download der Streuraten für große Winkel mit Messzeiten über mehrere Stunden• Neues Experiment zur Messung des globalen Effektes der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung• Messung der Schwingungsdauer der Pendel an 5 Standorten in ungefähr 30 min• Auf 0,003 m/s 2 genaue Bestimmung der Erdbeschleunigung und damit um ungefähr den Faktor10 genauer als mit traditionellen Schulexperimenten• Erhöht die Anzahl der wenigen Experimente zur Gravitation (Bestimmung der Gravitationskonstantemit Gravitationsdrehwaage und der Erdbeschleunigung mit Pendel)• Inhaltliche Bezüge zu Gravitation, Schwingungen, Trägheitsmoment, Kreisbewegung undTrägheitskräften• Alltagsbezug zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs beim Auto• Kostenloser Windkanal• Bestimmung der Newton´schen Luftreibungskraft und des c w -Werts von realitätsnahen FahrzeugmodellenTab. 22: Spezifische Mehrwerte der RCLs des RCL-Portals.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 82Die in Tab. 23 genannten spezifischen Mehrwerte können in vier Bereiche zur Unterstützungder RCL-Entwicklung eingeteilt werden:• Experimentelle FeaturesDas RCL bietet im Vergleich zu traditionellen Realexperimenten genauere Messergebnisse,eine größere Anzahl experimenteller Möglichkeiten, eine einfachere und schnellereVersuchsdurchführung, die Aufnahme von mehr Messwerten in Messreihen oder ist affektivergestaltet.• Lehr-Lern-OrganisationDas RCL erlaubt die Durchführung von in der Präsenzlehre zu zeitaufwändigen, zu gefährlichen,zu teuren, nicht verfügbaren oder neuen Experimenten. Das RCL ist für einegrößere Zielgruppe als ein vergleichbares traditionelles Realexperiment einsetzbar.• InhaltDas RCL ist ein bedeutendes Experiment der Physik oder thematisiert interessante physikalischeFragestellungen aus Alltag, Technik und Umwelt. Das RCL thematisiert einewichtige experimentelle Methode der Physik oder Inhalte mit denen Lernende Lernschwierigkeitenhaben. Das RCL führt anschaulich oder systematisch in Begriffe eines Gebietsder Physik ein oder deckt einen großen Teil eines Gebiets der Physik ab. Das RCL stelltBezüge zu weiteren Themen der Physik oder anderen Naturwissenschaften her.• Methodischer EinsatzDas RCL unterstützt technologisch Formen des Lernens mit Experimenten wie ein explorativesLernen ohne umfangreiches theoretisches Wissen, einen umfassenden Vergleichexperimenteller Versuchsergebnisse mit der Theorie oder mit Simulationen, die Kumulationund Auswertung von Messergebnissen in Lerngruppen mit geeigneten kognitivenWerkzeugen (→ VI.2.1) oder die geeignete Wahl unter mehreren Messmethoden. DasRCL unterstützt Besucher beim selbstgesteuertes Lernen 86 durch Anpassung von Umfangoder Schwierigkeitsgrad von Experimenten (→ III.3.5, Tab. 27, RCL Oszilloskop).III.3.2 EntwicklungsstrategienRCLs des RCL-Portals sind bisher nicht gezielt nach Entwicklungsstrategien realisiert worden.Im Nachhinein konnten die vier Entwicklungsstrategien Adaptieren, Optimieren, Komponierenund Thematisieren identifiziert werden. Der Neuigkeitsgrad und die Komplexität desEntwicklungsprozesses von RCLs nehmen in der genannten Strategiereihenfolge zu. Deshalbkann auch von Strategiestufen gesprochen werden. In Abb. 35 sind die RCLs des RCL-Portals nach Strategiestufen geordnet. Da z. B. das RCL Weltpendel auf der Strategiestufe86Vgl. Friedrich 2003, S. 51-54.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 83Thematisieren und das RCL Beugung und Interferenz II auf der Strategiestufe Komponierenauch optimierte RCLs sind, wurden die RCLs für eine eindeutige Zuordnung immer derhöchsten Strategiestufe zugeordnet:Abb. 35: Entwicklungsstrategien von RCLs des RCL-Portals.• AdaptierenTraditionelle Realexperimente werden durch RCL-Technik (→ IV) ohne die experimentellenMöglichkeiten stark zu verändern zum RCL erweitert. Da dies im Prinzip mit entsprechendemtechnischem Aufwand immer realisierbar ist, muss der Mehrwert des RCLs (→III.3.1) durch die Auswahl des traditionellen Realexperiments geschaffen werden. Z. B.steht für Lehrende mit dem RCL Elektronenbeugung ein zentrales, bisher nur von Lehrendendurchführbares Experiment der Quantenphysik bereit.• OptimierenTraditionelle Realexperimente werden durch Steigerung der Qualität von Messungen oderdurch Erweiterung der experimentellen Möglichkeiten optimiert. Vier der RCLs auf derStrategiestufe Adaptieren können durch Weiterentwicklung auf die Strategiestufe Optimierengehoben werden (→ III.3.5, Tab. 25, RCL Millikan-Versuch, RCL RutherfordscherStreuversuch, RCL Lichtgeschwindigkeit, RCL Oszilloskop).• KomponierenNach dieser Strategie werden RCLs entwickelt, die einen größeren Anteil eines Gebietsder Physik abdecken. Einzelne Experimente, die häufig als RCL nicht sinnvoll wären,werden in einem RCL zusammengeführt. Z. B. deckt das RCL Beugung und Interferenz IImit der Vielzahl von Beugungsobjekten fast die gesamte Wellenoptik ab. Diese Entwicklungsstrategiekann zu kostengünstigen RCLs führen, wenn z. B. teure Messinstrumentefür mehrere einzelne Experimente gemeinsam verwendet werden.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 84• ThematisierenAusgangspunkt dieser Strategie sind physikalische Fragestellungen aus Physik, Natur,Alltag und Technik. Z. B. thematisiert das RCL Weltpendel die Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung (→ IV.1) und nutzt das Internet für globale Messungen.Die Entwicklungsstrategien Adaptieren und Optimieren sind Bottom-up-Strategien im Sinnevon "vom existierenden traditionellen Realexperiment zum RCL", die EntwicklungsstrategienThematisieren und Komponieren sind Top-down-Strategien im Sinne von "vom Thema oderGebiet zum RCL". Alle Entwicklungsstrategien außer Adaptieren profitieren von der Anpassungder Lehrversuche an die Rahmenbedingungen des Lehralltags durch die Lehrmittelhersteller:Experimente sind in der Regel auf die Untersuchung eines eingegrenzten Phänomenbereichsausgerichtet und sollen mit wenigen Messungen greifbare Ergebnisse liefern.Die Flexibilität der Experimente kann meist nur mit ergänzenden Versuchsgeräten oder -materialien gesteigert werden. Der überwiegende Teil des Angebots an Lehrversuchen fürdie Lehre ist auf Standardinhalte der Lehrpläne abgestimmt.Entwicklungsstrategien helfen Ideen für ein neues RCL in konkrete Entwicklungsziele umzusetzen:Bei der Entwicklung eines RCLs nach der Thematisieren-Strategie muss z. B. die Literaturrechercheviele Aspekte des Themas berücksichtigen, während bei der Entwicklungeines RCLs nach der Optimieren-Strategie auf die Analyse von Schwächen existierendertraditioneller Realexperimente und deren Umsetzung in Mehrwerte fokussiert werden kann.III.3.3 EntwicklungsplanIm Tab. 23 wird ein auf Erfahrungen der Arbeitsgruppe basierender, phasierter, für RCLs generalisierterund idealtypischer Entwicklungsplan anhand von Aktivitäten und Meilensteinenbeschrieben. Meilensteine grenzen die einzelnen Phasen gegeneinander ab und schaffendefinierte Zwischenergebnisse auf denen in der nächsten Phase aufgebaut werden kann:Phase Aktivitäten Meilenstein - ErgebnisseVorüberlegungenKonzeption• RCL-Entwickler formuliert schriftlich Ideen und Ansätzezur Weiter- oder Neuentwicklung eines RCLsfür eine Sitzung: Eigene Überlegungen oder AnregungenDritter, Ergebnis einer Bestands- oder Bedarfsanalysevon RCLs, Projektauftrag zur Produktioneines thematisch festgelegten RCLs• Teilnehmer der Sitzung (RCL-Entwickler, Mitgliederder Arbeitsgruppe, Experten zum Thema oder externeLehrkräfte) erhalten vor der Sitzung Vorlage zugeschickt• In der Sitzung stellt der RCL-Entwickler Ideen undAnsätze vor. Protokollant protokolliert wichtige Beiträgeund Ergebnisse der Sitzung mit• Ressourcen zur Informationsbeschaffung und Literaturrecherche:Themenähnliche oder gleiche RCLs,Praktikumsanleitungen, Artikel in Schul- und Hochschulzeitschriften,Schul- und Hochschullehrbücher,Versuchsanleitungen der Lehrmittelhersteller, Exper-Ergebnisprotokoll "Vorüberlegungen RCL x"• Vorschläge für experimentelle Features• Potentielle Mehrwerte und passende Entwicklungsstrategien• Einschätzung der Realisierbarkeit (vorhandeneKompetenzen, Zeitaufwand) und Finanzierbarkeit• Vorschläge für Interaktivität• Zu erwartende Probleme• Hinweise auf InformationsquellenVortrag "Konzeption RCL x"• Lerninhalte und Zielgruppe des RCLs (Richtziel)• Experimentelle Aktivitäten• Physik zum RCL, Inhalte und Struktur der Web-

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 85PlanungKonstruktionPrüfungten an der Universität, Informationsmaterial von Firmen,Internetseiten• Zusammenstellung der Experimente• Festlegen der Entwicklungsstrategie• Erarbeitung der Mehrwerte des RCLs• Zielgruppe des RCLs• Interaktivität, Vollständigkeit, Vernetzung• Begründung der Auswahl von Experimenten• Inhalte und Struktur für Webseite Theorie der Standard-Lernumgebung• Vorversuche mit vorhandenem Versuchsmaterial• Dimensionierung der Apparatur, Abschätzungen, Anforderungenan Genauigkeit, Festlegen des Variationsbereichsund Anzahl von Werten unabhängigerGrößen• Auswahl von Sensoren, Aktoren, Erweiterungsschaltungenfür Interface, Geräten, Standardpositionierungselementen,Webcams, …• Layout der Laborseite• Liste benötigter Versuchskomponenten (Artikel, Lieferant,Werkstattanfertigung, Kosten). Entscheidung,ob Versuchskomponenten fertig gekauft, selbst angefertigt,in Werkstätten der Universität oder außerhalbangefertigt werden• Inhalte für Webseiten Aufgaben und Diskussion derStandard-Lernumgebung• Aufbau der Versuchsapparatur• RCL-Server vorbereiten• Programmierung des Mikrocontrollers und der PHP-Software• Umsetzung des Layouts der Laborseite in Template• Inhalte der Webseiten Auswertung, Material und Aufbauder Standard-Lernumgebung• Implementation der Webseiten der Standardlernumgebung• Prüfung des RCLs anhand der Durchführung undAuswertung aller Messungen wie Besucher desRCLs es durchführen• RCL unter versteckter Internetadresse zur Prüfungder Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit durch Arbeitsgruppenmitgliederbereitstellen. Termin setzenvor dem Vortrag• Nach erfolgreicher Prüfung RCL im RCL-Portal veröffentlichenseite Theorie der Standardlernumgebung• Ordner mit Literatur und Informationsmaterial• Literaturliste• Rückmeldung an Teilnehmer des Brainstorming,welche Vorschläge umgesetzt oder verworfenworden sindVortrag "Planung RCL x"• Ergebnisse von Vorversuchen und Simulationen• Voraussichtliche Ergebnisse der ExperimenteSkizze des Versuchsaufbaus• Layout der Laborseite• Werkstattaufträge und Pläne für WerkstattVortrag "RCL x"• Vorstellen des Versuchsaufbaus am RCL• Funktionalitäten der Laborseite• Präsentation ausgewählter Messergebnisse• Dokumentation der Schaltungen• Rückmeldung an Arbeitsgruppenmitglieder zurBerücksichtigung der Prüfungsergebnisse• Vorstellen der Standard-LernumgebungTab. 23: Phasenmodell zur Entwicklung von RCLs.Der Entwicklungsplan kann nicht immer in strenger linearer Reihenfolge durchlaufen werden,weil Liefer- und Anfertigungszeiträume von Versuchskomponenten, eventuelle Konzeptionsmängeloder technische Probleme zu Überlappungen oder rekursivem Durchlaufen einzelnerPhasen führen. Den Entwicklungsplan weiter konkretisierend können aus der Erfahrung inder Entwicklung von RCLs folgende Tipps zur Betreuung von Staatsexamenskandidaten undzur Realisation von RCLs gegeben werden:• LiteraturrechercheTheoretische Grundlage für jedes qualitativ gute RCL ist eine umfassende, an die Entwicklungsstrategie(← III.3.2) angepasste Informationsbeschaffung und Literaturrecherche

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 86zu Beginn der Entwicklung eines RCLs. Fehlende Informationen und ein zu geringerÜberblick zum Thema können in späteren Phasen der RCL-Entwicklung schwer ausgeglichenwerden.• Vorversuche für RCLsExperimentelle Grundlage für jedes qualitativ gute RCL sind Vorversuche. Dazu zählen z.B. Messungen zur Durchführbarkeit und Dimensionierung geplanter Experimente (z. B.Versuchsaufbau zum RCL Radioaktivität), Versuche zur Dimensionierung von Sensorenund Aktoren (z. B. Genauigkeit der Lichtschranke und Drehmoment des Schrittmotorszum Bewegen größerer Lasten beim RCL Weltpendel) und die Dimensionierung vonRCLs mit Hilfe von Programmen (z. B. Dimensionierung des Versuchsaufbaus und Abschätzungder Lichtintensität des Beugungsmusters beim RCL Beugung und InterferenzII).• Entwicklung von RCLs aus Sicht von LernendenVon Beginn der Entwicklung an ist das RCL aus der Sicht von Lernenden zu entwickeln.Dazu zählt z. B. die Ausrichtung des RCLs auf die gewünschte Zielgruppe, die Berücksichtigungvon Lernschwierigkeiten, die Nutzerfreundlichkeit der Laborseite, die frühzeitigePlanung von Position und Perspektive der Webcams im Versuchsaufbau und eineübersichtliche Anordnung von Versuchskomponenten.• Zusammenarbeit zwischen RCL-Techniker und StaatsexamenskandidatIn der Regel müssen Elektronik von Sensoren und Aktoren und die Programmierung desMikrocontrollers und der Laborseite von einem RCL-Techniker übernommen werden, dadies keine Inhalte des Lehramtsstudiums sind. Für eine erfolgreiche Zusammenarbeitzwischen RCL-Techniker und Staatsexamenskandidat sollten Staatsexamenskandidateneine klare Vorstellung der Interaktivität des RCLs (← III.1.6) entwickeln und konkrete Vorschlägezur Elektronik mit Sensoren und Aktoren ausgearbeitet haben. Umgekehrt sollteder RCL-Techniker bemüht sein didaktisch sinnvolle Vorschläge des Staatsexamenskandidatenzu erkennen und technisch umzusetzen.• Information über Ressourcen zur Entwicklung von RCLsVoraussetzung für eine zeitsparende Entwicklung qualitativ guter RCLs ist, dass Staatsexamenskandidatenüber Ablauf und Ressourcen informiert werden. Inhalte einer Einführungin die RCL-Entwicklung sind: Struktur (← III.3.3, Tab. 23) und Zeitplan der RCL-Entwicklung; personelle, fachliche und materielle Ressourcen (Betreuer, Elektronik- undMechanikwerkstatt, Werkstatt der Arbeitsgruppe); verfügbare standardisierte Versuchskomponenten(→ III.3.3), Formalien zur Bestellung von Versuchskomponenten und Obergrenzenfür Kosten. Die Staatsexamenskandidaten erhalten das RCL-Tutorial (→ V) mitInformationen zum Download einer einheitlichen RCL-Basissoftware, zu Grundlagen derRCL-Technik und zur Struktur und Implementation der Standard-Lernumgebung.• Technische Dokumentation

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 87Die Staatsexamensarbeit enthält eine umfassende technische Dokumentation des Interfaceund des Versuchsaufbaus zum Verständnis des RCLs und für spätere Wartungsarbeitenam RCL. Zum Interface gehören: Schaltplan und Bauteilliste der Erweiterungsschaltungen(→ V.2.1.2), Programmiercode des Mikrocontrollers in schriftlicher (→ AnhangXI.3.1) und elektronischer Form, Bilder der Platine (→ V.2.1.2, Abb. 60) und Erläuterungder Befehle im Hyperterminal (→ V.2.3, Abb. 65, Tab. 35). Zum Versuchsaufbau gehören:Bilderserien des Versuchsaufbaus; eine vollständige Liste der Versuchskomponentenmit Bezeichnungen, Bezugsquellen und Preisen; Beschreibungen von Justierungenund sonstigen Besonderheiten des Versuchsaufbaus; alle ausgewerteten Messergebnissedes RCLs.• Erweiterbarkeit von RCLsNicht immer gelingt es innerhalb eines begrenzten Zeitraums ein RCL in allen Aspektenabschließend zu entwickeln. In solchen Fällen sollte das RCL leicht erweiterbar sein. Z. B.können beim RCL Weltpendel weitere Pendel auf der Südhalbkugel (→ IV.1.6, ▪ WeiterePendel) positioniert sowie bei den RCLs Beugung und Interferenz II und Optische Fourier-Transformation leicht weitere Beugungsobjekte hinzugefügt werden.• Wartungsarmer VersuchsaufbauFür RCLs sollten möglichst langlebige Versuchskomponenten, Materialien und Verbindungstechnikengewählt werden. Versuchskomponenten von absehbar begrenzter Lebensdauersollten ohne großen Aufwand (z. B. kein langwieriger Ausbau und Neujustierungvon Lasermodulen) austauschbar sein. So musste z. B. beim RCL Fotoeffekt biszum Ersatz des batteriebetriebenen durch ein netzbetriebenes Multimeter die Batteriemehrfach gewechselt werden, beim RCL Optische Fourier-Transformation wurden KlebedurchSchraubverbindungen ersetzt und beim RCL Optische Pinzette trug die schlechteHaltbarkeit der Suspension zum Rückbau des RCLs bei (← III.3, Tab. 22, RCL OptischePinzette). Nicht unterschätzt werden darf, dass der Versuchsaufbau eines RCLs auchnach mehreren Jahren mechanisch stabil sein muss. So führte die mechanische Instabilitätdes RCLs Heißer Draht zur Außerbetriebnahme des RCLs (III.3, Tab. 22, RCL HeißerDraht) und beim RCL Beugung und Interferenz II musste bereits während der Entwicklungdie Grundplatte mit zwei Eisenschienen für einen stabilen Strahlengang verstärkt werden.• Entwicklung der Standard-LernumgebungGenerell sollten die Webseiten Einführung, Aufbau, Theorie, Aufgaben, Auswertung, Diskussionund Material der Standard-Lernumgebung (← II.3.2) aus Gründen der Effektivitätnicht nach, sondern bereits während der Entwicklung des RCLs erstellt werden. In derKonzeptionsphase des RCLs (← III.3.3, Tab. 23) können Strukturen und Inhalte für dieTheorieseiten skizziert und in der weiteren RCL-Entwicklung ausgeschärft werden. In derPlanungs- und Konstruktionsphase reifen häufig festzuhaltende, interessante Ideen, Fragenund Aufgabenstellungen für die Webseiten Aufgaben und Diskussion heran. In derKonstruktions- und Prüfungssphase sollte die Webseite Material, während der Prüfung

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 88des RCLs die Webseite Auswertung und abschließend die Webseite Aufbau erstellt werden.Die implementierte Standard-Lernumgebung sollte theoretischer Teil von Staatsexamensarbeitenzu RCLs sein. Die Anforderungen sind wegen der webbasierten, komprimiertenund dennoch verständlichen Darstellung höher als bei anderen Staatsexamensarbeiten,die zu verkürzten theoretischen Darstellungen aus Lehrbüchern tendieren.Der Einsatz getesteter, standardisierter Versuchskomponenten kann die Entwicklung undQualität eines RCLs in zwei Punkten verbessern: Während der Entwicklung eines RCLs wirddie Planungs- und Konstruktionsphase eines RCLs zugunsten einer längeren Konzeptionsphaseverkürzt und die Qualität von RCLs auf intellektuellem Weg gesteigert. Aufgrund dergeringeren Vielfalt von Versuchskomponenten wird die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls vonRCLs und damit der Wartungsaufwand verringert. Folgende Standardisierungen sind fürRCLs des RCL-Portals bereits realisiert oder noch zu realisieren:• Interface in Basisschaltung, RCL-Basissoftware und Standard-LernumgebungAlle RCLs verwenden das gleiche, technisch stabile Interface in Basisschaltung (→V.2.1), die gleiche RCL-Basissoftware (→ V.3.2) und die gleiche Struktur der Standard-Lernumgebung (← II.3.2).• Translatorische PositionierungseinheitenAus Kostengründen wurden bisher alte Scanner zum Positionieren von Objekten im RCLverwendet, die zeitaufwendig mechanisch angepasst und befestigt werden mussten undnicht für jedes RCL die erforderliche Positionierungsgenauigkeit besitzen: Ein Teil derBeugungsmuster der RCLs Beugungsmuster der RCLs Beugung und Interferenz II (←III.1.1.2, Tab. 10, Fehlernr. 2) und Optische Fourier-Transformation (← III.1.1.2, Tab.10, Fehlernr. 30) werden im Laufe der Zeit nur noch in schlechter Qualität oder gar nichtmehr dargestellt, weil Beugungsobjekte vom Laserstrahl nur noch teilweise oder gar nichtmehr ausgeleuchtet werden. Durch den Senkrechtbetrieb der Scanner entstehen Belastungenund Reibungen in der Führungsmechanik die zur Hysterese in der Positionierungder Beugungsobjekte führen. In neuen RCLs sollten gekaufte oder in Zusammenarbeit mitder Mechanik-Werkstatt entwickelte ein- und zweidimensionale Positionierungseinheitenfür kleinere/größere Strecken mit höherer/geringerer Positionierungsgenauigkeit und einerPalette von drei Schrittmotoren des gleichen Herstellers mit gestaffeltem Drehmomentzum Einsatz kommen.• WebcamsStandard-Webcam in neuen RCLs sollte ein einheitliches Modell mit maximaler Auflösung640 px x 320 px für größere Webcambilder und gutem Mikrofon für Tonübertragung (→ III.3.6, nach Tab. 27) sein. Für RCLs wie die Optische Fourier-Transformation sollte eineWebcam mit von der Laborseite steuerbarem digitalem oder optischem Zoom zur Verfügungstehen (→ IV.2.8, ▪ Webcambilder von Ausschnitten der Beugungsmuster). Zu prüfenist, ob beim digitalen Zoom der Verlust an Bildqualität vertretbar ist. Der Javaskript-

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 89Code zur Einbindung von Webcambildern in die Laborseite (→ Anhang XI.3.4) ist auf maximaleÜbertragungsgeschwindigkeit oder alternativ beste Bildqualität zu optimieren. Füralle RCLs sollte eine einheitliche Webcambefestigung verfügbar sein, um Höhe und Blickrichtungder Webcam je nach RCL anpassen zu können.Standardmäßig benötigen RCLs eine erste Webcam zur Darstellung des gesamten Versuchsaufbausund eine zweite Webcam zur Darstellung von Versuchsabläufen und -ergebnissen. Die Authentizität der RCLs Elektronenbeugung, Millikan-Versuch, OptischeFourier-Transformation, Rutherfordscher Streuversuch und Windkanal kann durch einebisher fehlende Darstellung des gesamten Versuchsaufbaus mit einer zweiten Webcamerhöht werden. Ein in Ausnahmefällen notwendiges drittes Webcambild sollte aus PlatzundInformationsgründen wie beim RCL Roboter im Labyrinth durch Umschalten mit demzweiten Webcambild angezeigt werden können.• Beleuchtung von RCLsRCLs müssen bei Nacht am Standort beleuchtet werden. In einem zentralen Standortkonzeptmit mehreren RCLs in einem Raum ist eine dauerhafte eingeschaltete Raumbeleuchtungmit Neonröhren die beleuchtungstechnisch und finanziell günstigste sowie wartungsärmsteLösung. Für RCLs an dezentralen Standorten bieten sich einfache Schreibtischleuchtenmit langlebigen Leuchtmitteln an, die über eine Zeitschaltuhr nachts eingeschaltetwerden.III.3.4 Kosten für Entwicklung und WartungDie Gesamtkosten eines RCLs setzen sich aus den Material- und Arbeitskosten für die Entwicklungund Wartung zusammen:• Material- und Arbeitskosten für die Entwicklung von RCLsIn Tab. 24 sind von vier RCLs die Materialkosten inklusive Mehrwertsteuer zusammengestellt.Für aus Altbeständen kostenlos erworbene Computer und Monitore und für Versuchskomponentendes Lehrmittelherstellers Leybold 87 wurden heutige Preise angesetzt.Für die verwendeten kostenlosen alten Flachbrettscanner wurden heutige Preise fürSchrittmotoren und Linearführungen angesetzt. Kosten durch Fehlplanungen oder zerstörteVersuchskomponenten während der RCL-Entwicklung sind nicht enthalten. In den Kostender überwiegend in Werkstätten der Technischen Universität Kaiserslautern angefertigtenVersuchskomponenten sind die Arbeitskosten enthalten:87Vgl. LD Didactic GmbH.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 90Gekaufte Geräteund VersuchskomponentenAngefertigteVersuchskomponentenSonstigesMaterialKosten ohneFernsteuerungund -messungRCL RutherfordscherStreuversuch• Am-241 Präparat* 708 €• Gold- und Aluminiumfoliein Fassung* 127 €• Satz Schlitzblenden* 5 €• Vakuumpumpe* 1145 €• Vakuumkammer 200 €RCL Elektronenbeugung• Elektronenbeugungsröhre*1065€• Röhrenständer*452 €• Verdunklungskasten50 €RCL Beugung undInterferenz IIRCL Weltpendel(eines)• 6 Lasermodule 400 € -• Halterung für Lasermodule100 €• Beugungsobjekte 420 €• Quadratische Blende 30 €• Verdunklungskasten 50 €• Schirm mit Zentimeterskala20 €• Pendel mit Aufhängung100 €• Apparatur zur Pendellängenmessung180 €50 € 50 € 50 € 50 €2235 € 1567 € 1090 € 330 €Sensoren • Halbleiter-Detektor* 381 € - • Lichtsensor 20 €Aktoren • 2 Schrittmotoren 50 €Interface in BasisschaltungErweiterungsmoduleInterfaceComputer, Tastatur,Maus• Hochspannungs-Netzgerät 1032 €• 4 Schrittmotoren 100 €• 4 Linearführungen 400 €• Lichtschranke undTemperatursensor400 €• Schrittmotor 25 €• Elektromagnet 50 €• Linearführung 25 €50 € 50 € 50 € 50 €• 2 Schrittmotormodule 20€• 7-Segment-Anzeige 10 €• Diskriminator-Vorverstärker* 525 €• DA-Wandler 10 € • 4 Schrittmotormodule 40 €• Schrittmotormodul10 €200 € 200 € 200 € 200 €Monitor 200 € 200 € 200 € 200 €USB-Webcam 30 € 30 € 30 € 30 €IP-Webcam - - 100 € -Kosten Fernsteuerungund -messung1466 € 1522 € 1140 € 990 €Gesamtkosten 3721 € 3089 € 2230 € 1320 €Kosten traditionellesRealexperimentKosten Adaptierenzum RCL4151 € 2549 € - --430 € (- 10 %) 540 € (+ 21 %) - -Tab. 24: Materialkosten inklusive Mehrwertsteuer von RCLs des RCL-Portals (* Versuchskomponentenvon Leybold).Kosten von Versuchskomponenten zur Fernsteuerung und Fernmessung sind in Tab. 24getrennt gelistet. Diese sind tendenziell umso höher, je höher die Kosten der restlichenVersuchskomponenten des RCLs sind und machen im Mittel die Hälfte der Gesamtkostenaus. Für Fernsteuerung und -messung entstehen durch Computer, Tastatur, Maus, Interfacein Basisschaltung und mindestens eine USB-Webcam Mindestkosten von 480 €.Diese Kosten können durch ein direkt über das Internet steuerbares Interface (ca. 100

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 91€ 88 ), mindestens eine IP-Webcam und Wegfall von Computer und Monitor auf 200 € gesenktwerden.Tendenziell werden niedrigere Materialkosten bei einer geringeren Zahl gekaufter, teurerVersuchskomponenten der Lehrmittelhersteller oder deren Ersatz durch entwickelteMessschaltungen und Sensoren aus dem Elektronikhandel erzielt. Dies trifft besonders fürRCLs nach der Thematisieren-Strategie (← III.3.2) wie z. B. die RCLs Weltpendel oderOptische Computertomographie zu. Allerdings verursachen diese RCLs durch einen höherenEntwicklungsaufwand höhere Arbeitskosten.Exemplarisch zeigen die mit traditionellen Realexperimenten gut vergleichbaren RCLsRutherfordscher Streuversuch und Elektronenbeugung, dass die Gesamtkosten für RCLszwischen 80 % und 120 % des traditionellen Realexperiments betragen.Die Materialkosten von RCLs schwanken wie die von traditionellen Realexperimentenstark und liegen bei maximal ca. 4000 € und im Mittel bei ca. 3000 €. Im Vergleich dazusind Materialkosten für den RCL-Portalserver vernachlässigbar, zumal dieser vom Rechenzentrumder Technischen Universität Kaiserslautern bereitgestellt wird.Auf die einzelnen RCLs umzulegende Arbeitskosten entstehen durch die Programmierungdes Buchungssystems und der RCL-Basissoftware. Die RCL-spezifische Programmierungder RCL-Basissoftware und des Mikrocontrollers sowie die Entwicklung der Elektronik vonRCLs verursachen je nach RCL Arbeitskosten zwischen ein und zwei Mannmonaten. Inder Regel ist der Zeitaufwand umso geringer, je mehr Fertiggeräte und je höher der Anteilvon Standardexperimenten des RCLs ist.Im Rahmen der universitären Lehre und Ausbildung finanzierbare Arbeitskosten, entfallenauf die Fertigung der RCLs durch Staatsexamenskandidaten und deren Betreuung. Dermittlere Arbeitsaufwand zur Erstellung und Implementation einer deutschen Standard-Lernumgebung im RCL-Portal beträgt etwa eine Woche. Übersetzung und Implementationeiner weiteren Sprachversion auf dem RCL-Server benötigen ungefähr 3 Tage.Die längste Entwicklungsdauer haben RCLs nach der Thematisieren-Strategie (← III.3.2,Abb. 36). Die mittlere Entwicklungsdauer der RCLs im Rahmen von Staatsexamensarbeitenliegt bei einem Jahr. Die Arbeitskosten für ein RCL liegen insgesamt bei ca. 2000 -4000 €.• Material-, Fahrt- und Arbeitskosten für Auslieferung und Wartung von RCLsWährend der Laufzeit aller RCLs des RCL-Portals sind nur geringe Materialkosten durchden Ausfall von Versuchskomponenten entstanden. Dazu gehören ein Geiger-Müller-Zählrohr des RCLs Radioaktivität für 369 € (← III.1.2.2, Tab. 10, Fehlernr. 35), ein Anschlusssockelder Elektronenbeugungsröhre und elektronische Bausteine des Interfacedes RCLs Elektronenbeugung für 60 € (← III.1.2.2, Tab. 10, Fehlernr. 4) und mehrereSteckernetzteile. Im Einzelfällen wie z. B. dem Ausfall der kostenlos ersetzten, ca. 1000 €teuren Webcam des RCLs Millikan-Versuch (← III.1.2.2, Tab. 10, Fehlernr. 25) oder der1065 € teuren Elektronenbeugungsröhre des RCLs Elektronenbeugung können jedoch88Auskunft von M. Vetter am 04.04.2011.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 92hohe Kosten entstehen. Insgesamt sind die durchschnittlichen Materialkosten pro RCLund Jahr für die Wartung vernachlässigbar.Fahrt- und Versandkosten zur Auslieferung von RCLs an die Standorte Kaisersesch, Heilbronn,Dillingen, Saarburg, Überlingen, Hermannsburg, Isernhagen, Berlin, Riga, Helsinki,Neapel, Aden sowie Wartungskosten betrugen pro Jahr und RCL ca. 150 €.Im Rahmen der universitären Lehre getragene Arbeitskosten entstehen durch die Auslieferungvon RCLs, die Durchführung von Funktionstests der RCLs (← III.1.1), Wartungsarbeitenan den Standorten und per Fernzugriff auf die RCL-Server, Reparatur- und Wartungsarbeitenvon RCLs in der Arbeitsgruppe und Pflege der Webseiten (← II.2.2, ▪ Formund Inhalte der Standard-Lernumgebungen). Die Gesamtkosten für Auslieferung undWartung der RCLs des RCL-Portals liegen nicht über 200 € pro RCL und Jahr.Die Gesamtkosten für ein RCL des RCLs-Portals liegen, wenn im Rahmen der universitärenLehre und Ausbildung getragene Kosten unberücksichtigt bleiben, bei maximal 8000 €.III.3.5 Weiterentwicklung von RCLsStärken und Schwächen von aktuellen und ehemaligen RCLs des RCL-Portals und von anderenRCL-Anbietern sind in Tab. 25 und Tab. 26 in Vorschläge zur Weiterentwicklung vonRCLs im Rahmen einer Weiterführung des RCL-Projekts (→ VIII.1) umgesetzt. Anhand derRCL-Recherche (→ Anhang X.5) wurde die Echtheit der Weiterentwicklungen geprüft undals Ergebnis die ID´s nicht mehr existierender, funktionsunfähige oder im Vergleich zum weiterentwickeltenRCL schlechterer RCLs angegeben. Weiterentwicklungen werden durch Angabeder Entwicklungsstrategie (← III.3.2) und der Mehrwerte (← III.3.1) umrissen und durchden Versuchsaufbau und Experimente konkretisiert:RCLRadioaktivitätIDs 204, 188Komponieren-Strategie mit Mehrwert durch experimentelle Features und InhaltBessere Messergebnisse, größere Zahl wählbarer Parameter und größerer Anzahl von ExperimentenVersuchsaufbau• Bessere Kollimation der Strahlung und größere Aktivitäten der Strahlungsquellen• Kleinerer minimaler Abstand des Detektors von Strahlungsquelle, um Reichweiteder Alphastrahlung in Luft besser bestimmen zu können und• Ersatz der Scanner durch Schrittmotoren und Linearführungen ergibt einen übersichtlicherenVersuchsaufbau• Absorberdurchmesser müssen zur Vermeidung von Abschattungseffekten ca.1,5-fachen Detektordurchmesser haben• Durchmesser der Öffnungen ohne und mit Absorber müssen für korrekte Messungder Zählrate ohne Absorber gleich sein• Größere Absorberdicken für Gammastrahlung und kleinere Absorberdicken fürBetastrahlung, um Absorptionskoeffizient besser bestimmen zu können• Größere Anzahl von Absorbermaterialien durch Alltagsmaterialien wie Stein, Holzund Flüssigkeiten in Kapseln• Größere Anzahl von Strahlenquellen durch natürliche Strahlenquellen wie z. B.Bimsgestein• Steuer- und messbare magnetische Flussdichte des MagnetenZusätzliche Experimente• Messung des Energiespektrumsvon Betastrahlungmit variabler magnetischerFlussdichte• Bestimmung der spezifischenLadung von Alphateilchendurch Ablenkungim Magnetfeld• Größere Anzahl vonMessreihen zur Untersuchungder Absorptionvon Strahlung

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 93RCLMillikan-VersuchID 197RCLRutherfordscherStreuversuchIDs 196, 315RCLLichtgeschwindigkeitIDs 209, 113,26, 252Optimieren-Strategie mit Mehrwert durch methodischen EinsatzBestimmung der Elementarladung mit mehreren MessmethodenVersuchsaufbauZusätzliche Experimente• Werkstattanfertigung einer verbesserten Mechanik außer dem Mikroskop • Bestimmung der Elementarladungmit meh-• Verbessertes Einsprühen von Öltröpfchen durch selbstgefertigten Einsprühmechanismus,eventuell zwei Düsen und größeren Vorratsbehälter für Ölreren Messmethoden(Steig-Fallmethode,• Optimierte Beleuchtung im KondensatorSchwebemethode,• Mit gutem Einsprühmechanismus kann vermutlich auf Fokussierung des Mikroskopsverzichtet werden, weil stets einige Öltröpfchen im Fokus des MikroskopssindWechselfeldmethode 89 )und Vergleich der Genauigkeit• Verbesserte Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit durch Kopplung der Messungvon Steig- und Fallzeiten an die Umschaltung des elektrischen Feldes wie beimtraditionellen Realexperiment• Zeitlich konstantes, in Richtung und Stärke variierbares homogenes elektrischesFeld und homogenes, sinusförmiges Wechselfeld sind einstellbar• Möglichkeit auf der Laborseite Ergebnisse der Zeitmessungen von mehrerenÖltröpfchen zu speichern und als Datei herunterzuladenOptimieren-Strategie mit Mehrwert durch experimentelle Features und InhaltVerbesserte angefertigte Mechanik mit genauerer Versuchsgeometrie; kürzere Messzeiten; experimentelleÜberprüfung fast aller Abhängigkeiten der Streurate nach Vorbild eines traditionellen Realexperiments 90Versuchsaufbau• Verwendung eines für die Schule nicht zugelassenen Alphastrahlers mit mindestensZusätzliche Experimente• Bestätigung der Abhän-um den Faktor zehn größerer Aktivität für kürzere Messzeiten, Messungen gigkeit der Streuratebei größeren Streuwinkeln und kleinerem statistischer Messfehlervom Streuwinkel, von• Bessere Kollimation der Strahlung und exaktere Positionierung von Strahlungsquelle,Streumaterial und Detektorteilchen, von der Ord-der Energie der Alphanungszahlund Dicke• Messung der Rückwärtsstreuung von Alpha-Teilchen mit 330° drehbaren Detektordes Streumaterials (Au,Cu, Ag) nach Rutherfordscher• Energien und Aktivität des Alpha-Strahlers sowie Foliendicken müssen vor demStreufor-Einbau möglichst exakt gemessen werden. Festgelegte Toleranzen der Wertegeometrischer Größen wie Abstand Alphastrahler-Folie, Streufläche und AbstandFolie-Detektor müssen eingehalten werden. Damit ist ein genauerer Vergleichzwischen Experiment und Theorie sowie eine genauere Bestimmung der Ordnungszahldes Streumaterials durchführbar• Streuwinkel, Energie der Alpha-Teilchen (gesteuert durch Absorption der Alpha-Strahlung in Goldfolien variabler Dicke), Dicke und Ordnungszahl der Streufolien(Ag, Au, Cu, …) sind in möglichst weiten Grenzen variierbarmelOptimieren-Strategie mit Mehrwert durch experimentelle FeaturesBestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Luft und in MaterialienVersuchsaufbauZusätzliche Experimente• In den Strahlengang können auf einem Revolver montierte, zylindrische Stäbe derLänge s m aus Materialien wie z. B. Flintglas (n = 1,9), Plexiglas (n = 1,5) oderWasser (n = 1,3) in einer Röhre gebracht werden. Der Revolver kann auf derStrecke s zwischen Lichtquelle und Reflektor innerhalb der ersten fünf Meter, dievon der Spielzeuglokomotive nicht befahren werden können, angebracht werden.• Nach t = 2(s – s m )/c o + 2s m n/c o brauchen die Lichtimpulse zum Passieren derStrecke s = 10 m ohne Material 67 ns und mit einer s m = 2 m langen Materialstreckeaus Plexiglas 73 ns. Der Zeitunterschied von 6 ns ist messbar und kann eindrucksvollbeim Wechsel zwischen Luft und Material am Oszilloskopschirm beobachtetwerden• Eventuell muss wegen der Absorption in den Materialien eine Lichtquelle mit höhererLeistung verwendet werden• Versuch wird nicht von Leybold und Phywe angeboten• Bestimmung der Lichtgeschwindigkeitin Materialienund deren Brechungsindex8990Vgl. Gröber 2007b, Aufgabe I.6, S. 6.Vgl. Eaton 1973.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 94RCLOszilloskopIDs 208, 57,135, 169Thematisieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt und methodischer EinsatzFernsteuerung aller Funktionen eines Oszilloskops; Konzeptionierung des RCLs anhand eines Kurses zum Erlernender Bedienung eines Oszilloskops und zum Messen mit einem OszilloskopVersuchsaufbau• Im Bedienungsmodus auf der Laborseite kann mit Hilfe zweier Funktionsgeneratoreneiner Palette von Eingangssignalen erzeugt und die Bedienung eines Oszilloskopserlernt werden. Technologisch können die Lerninhalte nach Schwierigkeitsgraddurch Eingrenzung der aktiven Bedienelemente auf der Laborseite gesteuertwerden• Im Anwendungsmodus kann durch Auswahl entsprechender Schaltungen dieMessung einer Vielzahl von Größen erlernt werden• Existierende kostenlose Online- oder Offline-Simulationen vonpen 91, 92,93,94 erreichen nicht die hier angestrebte InteraktivitätZusätzliche Experimente• Experimente zur Messungvon Gleich- undWechselspannungen,Frequenzen und Frequenzverhältnissen(Lissajous-Figuren),Frequenz- und Phasengangvon RLC-Schaltungen, Zeitkonstanten,Kennlinien, …Tab. 25: Weiterentwicklung von RCLs des RCL-Portals.Die RCLs Millikan-Versuch, Rutherfordscher Streuversuch und Lichtgeschwindigkeit werdenvon der Strategiestufe Adaptieren auf die Strategiestufe Optimieren angehoben und füllendamit die Lücke in Abb. 35. Das RCL Radioaktivität wird auf der Strategiestufe Komponierenoptimiert, das RCL Oszilloskop wird von der Strategiestufe Adaptieren auf die höchste StrategiestufeThematisieren angehoben.Bei Weiterentwicklungen von RCLs muss entschieden werden, ob der Versuchsaufbau modifiziertwerden kann (z. B. RCL Lichtgeschwindigkeit), ein neues RCLs unter Verwendung teurerVersuchskomponenten des alten RCLs (z. B. RCLs Rutherfordscher Streuversuch, Oszilloskop,Radioaktivität und Millikan-Versuch) oder als Ergänzung zum alten RCL realisiertwird. Letzteres wird bei Weiterentwicklungen von RCLs selten der Fall sein, weil Besucherüberwiegend mit dem weiterentwickelten RCL experimentieren werden.91929394Vgl. Universität Bayreuth, Didaktik der Physik, Interaktives Bildschirmexperiment zum Oszilloskop.Vgl. P. Debik, Virtuelles Oszilloskop unter Oszilloskop Simulation - Starten!.Vgl. F. Friesing, Virtuelles Oszilloskop.Vgl. Technische Universität Illmenau, Interaktives Oszilloskop zur Lissajous-Figuren-Simulation zur Offline-Nutzung unterDownload.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 95RCLOptischePinzetteID 31RCLElektronen imE- und B-FeldRCLe/m-BestimmungIDs 114, 183Adaptieren-Strategie mit Mehrwert durch InhaltVerbesserte technische Stabilität; mehr Experimente und Vergleich mit Simulation; für Sekundarstufe II als erstaunlicherVersuch aus der Quantenphysik geeignet 95 , für Physikstudierende zum Kennenlernen einer Anwendungder Quantenphysik von Licht, für Biophysikstudierende als wichtige Methode zur Manipulation vonMikroorganismen 96Versuchsaufbau• Vorschläge zum Versuchsaufbau in Versuchsanleitungen vonHochschulpraktika• Haltbarkeit der Suspension kann verbessert werden 97 undmehr Experimente 98• Experimente sind so zu konzipieren und dimensionieren, dassder Vergleich experimenteller Ergebnisse mit einer Simulation99,100 möglich istExperimente• Bewegen eines Partikels mit Hilfe vonLaserlicht• Messung der Haltekraft eines Partikels inAbhängigkeit von der Laserleistung• Bestimmung der effektiven Viskosität derSuspension• Vergleich der Aufenthaltswahrscheinlichkeiteines freien und gefangenen Partikels(Brown´sche Molekularbewegung)Adaptieren-Strategie mit Mehrwert durch InhaltStandardmäßiges, traditionelles Realexperiment als RCL für mehr experimentelle HausaufgabenVersuchsaufbauExperimente• Standardversuch mit steuerbarem homogenem elektrischemFeld eines Plattenkondensators in Elektronenablenkröhre unddazu senkrechtem, steuerbaren homogenen Magnetfeld einesHelmholtz-Spulenpaares.• Variable Beschleunigungsspannung U B für Elektronen, variableSpannung U des Plattenkondensators und variableStromstärke I des Helmholtz-Spulenpaars• Abhängigkeit der Ablenkung des Elektronenstrahlsvon Geschwindigkeit (Beschleunigungsspannung)der Elektronen,elektrischer Feldstärke (Spannung) undmagnetischer Flussdichte (Stromstärke)• Identifizierung der Elektronenbahn imelektrischen Feld als Parabel• Realisation eines WienfiltersAdaptierenstrategie mit Mehrwert durch InhaltStandardmäßiges, traditionelles Realexperiment zur Bestimmung von e/m als RCL für mehr experimentelleHausaufgabenVersuchsaufbauExperimente• Standardversuchsaufbau mit Fadenstrahlrohr in einem Helmholtz-Spulenpaar.Elektronen bewegen sich auf Kreis- oderSpiralbahn• Steuerbare Beschleunigungsspannung U B (Geschwindigkeitv ), steuerbarer Winkel α zwischen Richtung des Magnetfeldesund Geschwindigkeit v durch Drehung des Fadenstrahlrohrs• Genauere Messung des Radius r der Kreisbahn mit Webcamüber Screenshot als im traditionellen Realexperiment, Messungder Ganghöhe der Spiralbahn mit zweiter Webcam überScreenshot• Messdaten der magnetischen Flussdichte in der Mittelebenedes Helmholtz-Spulenpaars werden alternativ zur Berechnungmit Formel auf Webseiten bereitgestellt• e/m-Bestimmung für α = 0°: Untersuchungdes Zusammenhangs zwischen r,B, U B , m und e• Überlagerung von Bewegungen für α ≠0°9596979899Vgl. z. B. Karsruher Institut für Technologie, Physik-Schüler-Laborinitiative.Vgl. z. B. Universität Göttingen, Versuchsanleitung Optische Pinzette im Fortgeschrittenen-Praktikum.Vgl. Tönnies 2005, S. 30.Vgl. Tönnies 2005, S. 33-44.Vgl. Mas 2011.100 Vgl. Universität Barcelona, Joptics, Download Applet Optical tweezers.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 96RCLGammaspektrometrieID 96RCLMichelson-InterferometerIDs 73, 165,229RCLElektromagnetischeInduktionID 13RCLChaos amWasserhahnID 46Komponieren-Strategie mit Mehrwert durch experimentelle FeaturesTeure Messgeräte (Vielkanalanalysator, Szintilisationsdetektor, Gekühlter Germanium- Halbleiterdetektor) undradioaktive Präparate werden für eine Vielzahl von Experimenten genutztVersuchsaufbau• Es existiert kein funktionsfähiges RCL zur Gammaspektrometrie• Standardversuchsaufbau aus HochschulpraktikaExperimente• Energiekalibrierung mit z. B. Co 60 undAnalyse von z. B. Cs 137, Na 22,Uranerz oder Baumaterialien• Untergrundmessungen• Messung des Absorptionskoeffizientenverschiedener Materialien• Abhängigkeit des Energie-Auflösungsvermögens vom Detektor• Messungen zum ComptoneffektThematisieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt und methodischer EinsatzMichelson-Interferometer als universelles MessinstrumentVersuchsaufbauExperimente• Klassischer Versuchsaufbau• Es existiert kein funktionsfähiges RCL zum Michelson-Interferometer• Vergleich zwischen Experiment und Simulation 101• Bestimmung der Brechzahl von Luft undanderer Gase, Bestimmung des thermischenAusdehnungskoeffizient von Festkörpern,Hysterese eine Piezo-Aktuators 102• Bestimmung der Wellenlänge und derKohärenzlänge von Licht mehrerer Lichtquellen103Komponieren-Strategie mit Mehrwert durch Inhalt und experimentelle FeaturesExperimente zu allen Varianten der Erzeugung einer Induktionsspannung nach dem InduktionsgesetzVersuchsaufbauExperimente• Rechteckförmige Leiterschleifen (variable Fläche A und Windungszahln) können im homogenen Magnetfeld eines Helmholtzspulenpaars(Flussdichte B konstant, linear zu- oder abnehmend,sinusförmig oder rechteckförmig) unter dem Winkelα positioniert werden oder mit konstanter Winkelgeschwindigkeitω rotieren. Die Induktionsspannung U ind kann mit einemOszilloskop und Multimeter gemessen werden• Technisch muss die Übertragung der eventuell verstärkten InduktionsspannungU ind von der rotierenden Leiterschleife realisiertwerden• Mit Oszilloskop kann im Zweikanalbetrieb die zeitliche Zuordnungvon U ind und Spannung U B zur Erzeugung von B darstelltwerden• Eine Webcam für den Oszilloskopschirm, eine weitereWebcam für den Versuchsaufbau mit Multimeter• B = B 0 = konstant (Generator): Abhängigkeitzwischen der Amplitude von U indund ω, n, B, A• B = B 0 + kt (konstant, linear zu oder abnehmend):Abhängigkeit der konstantenU ind von n, A, α und k• B = B 0 sin(ωt): U ind kosinusförmig,Amplitude von U ind abhängig von B 0 , ω,A und nThematisieren-Strategie mit Mehrwert durch InhaltEinführung in Grundbegriffe des deterministischen ChaosVersuchsaufbauExperimente• Versuchsaufbau des nicht mehr existierenden RCLs 104• Elektronische Messung der Flussrate und des zeitlichen Abstandsder Wassertropfen mit Lichtschranke• Prüfung, ob Durchführung des Experiments für ein RCL nichtzu lange dauert und ob RCL wegen Wasser langfristig wartungsfreikonstruiert werden kann• Aufnahme Bifurkationsdiagramm (ZeitlicherAbstand zwischen Tropfen überFließrate am Auslauf) und Aufnahme Return-Map(Zeitlicher Abstand zwischeneinem ersten und zweiten über zeitlichemAbstand zwischen zweitem undnachfolgendem dritten Tropfen) 105101 Vgl. Universität Barcelona, Joptics, Applet Michelson-Interferometer.102 Vgl. Technische Universität Dresden, Versuchsanleitung Michelson-Interferometer im Physikalischen Praktikum.103 Vgl. Universität Frankfurt, Versuchsanleitung Michelson-Interferometer im Physikalischen Praktikum.104 Vgl. Klein 2003, S. 10-15.105 Vgl. Buttkus 1995.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 97RCLThermodynamischeZustandsänderungenID 185Komponieren-Strategie mit Mehrwert durch InhaltZusammenhang zwischen den Zustandsgrößen Druck, Volumen und Temperatur von Luft nach allgemeinerGasgleichungVersuchsaufbau• Versuchsaufbau des existierenden RCLs als erste Vorlage• Aufwendiges, aber wichtiges RCL für die Hochschule• Sowohl Einzelmessungen als auch automatisierte Aufnahmevon MessreihenExperimente• Sowohl automatisierte Aufnahme von p-V, p-T und T-V-Diagrammen mit der drittenGröße als Parameter• Durchlaufen von Kreisprozessen• Vergleich von zu- und abgeführter Wärmemengeund verrichteter ArbeitTab. 26: Weiterentwicklung ehemaliger RCLs des RCL-Portals und von RCLs anderer Anbieter.III.3.6 Neuentwicklung von RCLsIn Tab. 27 werden vier Neuentwicklungen von RCLs vorgestellt die in der Phase Vorüberlegungenim Entwicklungsplan (← III.3.3, Tab. 23, Vorüberlegungen) auf Tragfähigkeit zu prüfenund zu erweitern sind:RCLLeuchtmittelRCLOptischeKristallographieThematisieren-Strategie mit Mehrwert durch InhaltWirkungsgrad von Leuchtmitteln des Alltags wie Halogenlampen, Leuchtstofflampen, LED-Lampen, Glühlampen;Mechanismen zur Erzeugung von LichtVersuchsaufbauExperimente• Messung von Strom und Spannung mit Multimetern• Bestimmung der zugeführtenelektrischen Leistung durch StromundSpannungsmessung• Messung der Lichtintensität in einer Ebene durch das Leuchtmittelmit beweglichem Lichtsensor oder drehbarem Leuchtmittel• In Theorie Vergleich der Mechanismen zur Erzeugung von Lichtbei Glühlampe, Leuchtstofflampe und LED und Zusammenhangmit Wirkungsgrad• Überprüfen der 1/r 2 -Abhängigkeitder Lichtintensität für reale Leuchtmittel(keine Punktstrahler)• Messung der Abstrahlcharakteristikdurch in Abstand und Winkel positionierbarenLichtsensorThematisieren-Strategie mit Mehrwert durch InhaltModellexperimente mit sichtbarem Licht und elektronenstrahllithografisch hergestellten, zweidimensionalenBeugungsobjekten zur Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen mit Strukturen zwischen Ordnung und UnordnungVersuchsaufbauExperimente• Versuchsaufbau wie beim RCL Optische Fourier-Transformation(← III.2.4)• Beugung an schiefwinkligen Gitternmit variierbarem Winkel zwischenGittervektoren• Variation der Einzelform und Größeder Einzelform des Gitters• Variation der Gitterposition und Orientierungder Einzelformen zwischenvollständig geordnet und ungeordnet

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 98RCLMagnetfelderRCLTrägheitskräfteKomponieren-Strategie mit Mehrwert durch InhaltExperimente zum Verständnis des Superpositionsprinzip, des Gesetzes von Biot-Savart und des AmpereschenGesetzes (Durchflutungsgesetz)Versuchsaufbau• Teil 1: Zwei parallele senkrechte Leiter werden von in Richtungund Stärke steuer- und messbaren Strömen I 1und I 2 durchflossen.In Ebene senkrecht zu den Leitern kann an messbaren PunktenP(x,y) mit beweglichem Hallsensor die Komponenten B x und B yder magnetischen Flussdichte B gemessen werdenGeschlossene Wege des Hallsensors um einen der Leiter oderaußerhalb der Leiter können gewählt werden, entlang derer diemagnetische Flussdichte gemessen wird. Messungen (x,y,B x ,B y )können als Datei heruntergeladen werden• Teil 2: Rechteckförmige, drehbare, schmale Leiterschleife der Breiteds und variabler Stromstärke I modelliert Stromelement I⋅ds . Mitgeeignetem Hallsensor kann Richtung und Stärke der vom Stromelementerzeugten Flussdichte dB in variablem Abstand r undRichtunge rvom Stromelement gemessen werdenKomponieren-Strategie mit Mehrwert durch InhaltExperimente• Teil 1: Superposition der Magnetfeldermit I 1 = 0 und I 2 = 0 ergibt Vektorfeldmit I 1 ≠ 0 und I 2 ≠ 0.Nach∫ B dr= µ0Ikann experimentellermitteltes Kurvenintegral mit μ 0 Iverglichen werden ds × er• Teil 2: Nach dB ~ I kann experimentelldB ~ I, dB ~ 1/r 2 und dB2rsenkrecht auf der von ds und e raufgespannten Ebene gezeigt werdenUntersuchung aller Trägheitskräfte (lineare Trägheitskraft, Zentrifugalkraft, Corioliskraft und der "Kreiselkraft"bei Änderung der Winkelgeschwindigkeit) mit einem RCLVersuchsaufbauExperimente• Masse m kann in variablem Abstand r´ mit konstanter variablerWinkelgeschwindigkeit ω oder Winkelbeschleunigung α rotierenund für ω = 0 oder ω ≠ 0 mit konstanter variabler Geschwindigkeitv´ oder Beschleunigung a radial bewegt werden. Nutzer kann seineigenes Bewegungsprogramm auf der Laborseite zusammenstellen• Beschleunigungen bzw. Trägheitskräfte der Masse m können in allendrei Raumrichtungen mit Beschleunigungs- oder Kraftsensorengemessen, per Funk übertragen und auf Displays im Webcambilddes RCLs angezeigt werden. Besucher können dadurch einenqualitativen und quantitativen Zusammenhang zwischen Trägheitskraftund Bewegung herstellen• Zusätzlich zu Trägheitskräften kann auch magnetische Kraft alsäußere Kraft auf Masse m einwirken• Messung der linearen Trägheitskraft F = ma• Messung aller Abhängigkeiten der Zentrifugalkraft FZ= m ω× (r′×ω)• Messung aller Abhängigkeiten der Corioliskraft FC= 2mv′ ×ω• Messung aller Abhängigkeiten der "Kreiselkraft" FK= mr′ ×αTab. 27: Neuentwicklung von RCLs.Darüber hinaus sind Neuentwicklungen von RCLs mit folgenden Entwicklungsrichtungenwünschenswert:• RCLs die fehlerhafte Durchführungen von Experimenten erlauben, wie z. B. beim RCLRadioaktivität die Messung der Ablenkung von β-Strahlung ohne Kollimator oder beimRCL Fotoeffekt eine Messung der Fotospannung ohne Frequenzfilter.• RCLs die Fehlvorstellungen von Lernenden berücksichtigen wie z. B. bei einem RCL zurgeometrischen Optik durch Abbildungen mit halbierten Linsen. Insbesondere für die Mechanik,Optik und Elektrik sind Fehlvorstellungen von Lernenden umfassend untersucht,so dass RCLs die eine größere Anzahl von Fehlvorstellungen in Experimenten berücksichtigenentwickelt werden können.• RCLs die einen Vergleich mehrerer Messmethoden wie z. B. beim RCL Millikan-Versuch(← III.3.5, Tab. 25, RCL Millikan-Versuch) erlauben oder die den Vergleich von Messungenmit unterschiedlichen Messinstrumenten wie z. B. beim RCL Röntgen- und Gammaspektrometrie(← III.3.5, Tab. 26, RCL Gammaspektrometrie) erlauben.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 99• Komplexere RCLs bei denen Lernende auf der Laborseite die Anzahl experimentellerMöglichkeiten durch die Anzahl von Eingabeelementen einschränken können. Vorstellbarsind verschiedene Lernmodi wie z. B. beim RCL Oszilloskop (← III.3.5, Tab. 25, RCL Oszilloskop)oder eine an der Fach- und Ausbildungssystematik orientierte Reihenfolge vonExperimenten zur geometrischen Optik im Rahmen eines Lehrgangs für den AusbildungsberufAugenoptiker.• RCLs mit experimentellen Ergebnissen, die nicht sofort in Einklang mit der Theorie gebrachtwerden können wie z. B. Abweichungen vom Abstandsgesetz bei kleinen Abständenzwischen Quelle und Detektor beim RCL Radioaktivität. 106• RCL in denen am Bildschirm auch Ton wiedergegeben werden kann. Einerseits um Geräuschevon Experimenten wie z. B. das Fahrgeräusch des Zuges beim RCL Maut für einegrößere Authentizität zu übertragen. Andererseits um Versuche aus der Akustik wie z.B. zur Interferenz von Schallwellen durchführen zu können.• RCLs die gezielt eine Vernetzung von Experimenten anstreben. Vernetzungen könnendurch Gesetze wie z. B. dem Induktionsgesetz beim RCL Elektromagnetische Induktion(III.3.5, Tab. 26, RCL Elektromagnetische Induktion), durch Formeln wie z. B. der RutherfordschenStreuformel beim RCL Rutherfordscher Streuversuch (III.3.5, Tab. 25, RCLRutherfordscher Streuversuch), durch Analogien wie z. B. bei einem RCL zu mechanischenund elektrischen Schwingungen, durch Vergleich wie z. B. bei der Absorption vonBeta- und Gammastrahlung im gleichen Material beim RCL Radioaktivität (III.3.5, Tab.25, RCL Radioaktivität) oder durch Spezialfälle einer Formel wie z. B. beim RCL Trägheitskräfte(III.3.6, Tab. 27, RCL Trägheitskräfte) erzeugt werden.III.4 ZusammenfassungDieses Kapitel stand unter der Prämisse der Qualität von RCLs in der Entwicklung einen essentiellerenStellenwert einzuräumen, weil nur die besten RCLs in einem immer unübersichtlichwerdenden Spektrum an Lehr-Lernmedien langfristig Erfolg haben werden. Dazu wurdedie Qualität von RCLs vollständig durch die Qualitätskriterien Verfügbarkeit, Barrierefreiheit,Nutzerfreundlichkeit, Funktionalität, Konzeption, Interaktivität und Authentizität erfasst unddurch Qualitätsmerkmale überprüfbar gemacht. Die Qualitätsmerkmale sind so konkret undauf RCLs bezogen, dass im Vergleich zu anderen medienübergreifenden Kriterienkatalogen107 , ein geringerer Ermessenspielraum bei der Überprüfung der Qualität des Mediumsbleibt.Die Qualität der RCLs des RCL-Portals wurde in vielfältiger Weise dokumentiert und evaluiert:Im weltweiten Vergleich sind die RCLs vermutlich die einzigen mit über mehrere Jahredokumentierter, hoher, 80-prozentiger Verfügbarkeit und die 5 % barriereärmsten RCLs. EinVergleich unter drei themengleichen RCLs zur Beugung und Interferenz anhand einer sum-106 Vgl. Gröber 2010, Abb. 3a, S. 47.107 Vgl. Altherr 2003.

III QUALITÄT, EVALUATION und ENTWICKLUNG von RCLs 100marischen Checkliste der definierten Qualitätsmerkmale zeigt exemplarisch die Qualität derRCLs in Konzeption, Interaktivität, Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit. Die Auswertungvon Daten des Besucher-Trackings mehrerer RCLs im Hinblick auf Experimentierdauer und -qualität zeigt, dass mit RCLs wie mit traditionellen Realexperimenten in systematischer undvielfältiger Weise experimentiert wird. Lehrkräfte auf Fortbildungen zu RCLs bescheinigenRCLs als Unterrichtsexperten eine hohe Unterrichtstauglichkeit.Eine Fehleranalyse der Ausfälle von RCLs des RCL-Portals über mehrere Jahre, Ursachennicht mehr existierender RCLs des RCL-Projekts und Erfahrungen in der Betreuung der Entwicklungvon RCLs durch Staatsexamenskandidaten werden umgesetzt in Maßnahmen zurQualitätssicherung von RCLs: Im Rahmen einer Mehrwertstrategie können RCL-spezifischeMehrwerte in den Bereichen experimentelle Features, Lehr-Lern-Organisation, Inhalte undmethodischer Einsatz generiert werden. Entwicklungsziele von RCLs können zielsichereranhand der Entwicklungsstrategien Adaptieren, Optimieren, Komponieren und Thematisierenformuliert und erreicht werden. Ein an die Staatsexamenskandidaten bzw. Entwickler vonRCLs kommunizierter Entwicklungsplan mit definierten Meilensteinen strukturiert die Komplexitätdes Entwicklungsprozesses von RCLs und soll zu kürzeren Entwicklungszeiten vonRCLs führen. Ein höherer Anteil standardisierter Versuchskomponenten kann die Konstruktionsphasezugunsten der qualitätsentscheidenden Konzeptionsphase von RCLs verkürzen.Die Materialkosten für RCLs adaptierter traditioneller Realexperimente unterscheiden sichwegen der preisgünstigen Elektronikkomponenten und Computer nicht wesentlich von denendes Realexperiments. Die Materialkosten von RCLs für die Sekundarstufe II und das Grundstudiumliegen in der Regel nicht über 4000 €. Inklusive der Arbeitskosten liegen die Gesamtkostenfür die Entwicklung von RCLs bei maximal 8000 €.Bei der Wartung von RCLs sind die Materialkosten gegenüber den hohen tatsächlichen Arbeitskostenvernachlässigbar. Ein geringer Wartungsaufwand für RCLs bei gleichzeitig hoherVerfügbarkeit kann nur durch ein zentrales Standortkonzept, eine verbesserte Qualitätssicherungin der RCL-Entwicklung und das Aufrechterhalten regelmäßiger Tests der Verfügbarkeitvon RCLs erzielt werden.Die RCLs Radioaktivität, Millikan-Versuch, Rutherfordscher Streuversuch, Lichtgeschwindigkeitund Oszilloskop des RCL-Portals, die ehemaligen RCLs Optische Pinzette und Elektronenim E-Feld und zwei weitere RCLs können auf hohem Niveau so weiterentwickelt werden,dass ein Qualitätssprung erzielt wird. Vorgeschlagen zur Neuentwicklung werden die RCLsLeuchtmittel, Optische Kristallographie, Magnetfelder und Trägheitskräfte. Abschließendwerden Entwicklungsrichtungen für innovative neue RCLs vorgestellt, die fehlerhafte Durchführungenvon Experimenten erlauben, die Fehlvorstellungen der Lernenden berücksichtigen,die den Vergleich mehrerer Messmethoden erlauben, die eine Einschränkung der Komplexitätdurch den Nutzer über die Wahl aktiver Eingabeelemente auf der Laborseite erlauben,deren experimentelle Ergebnisse nicht sofort in Einklang mit der Theorie gebracht werdenkönnen, die eine Wiedergabe von Ton erlauben und die gezielt eine Vernetzung der Inhalteanstreben.

IV BEISPIELE für RCLs 101IVBEISPIELE für RCLsEs werden die im Rahmen von Staatsexamensarbeiten 108,109 realisierten RCLs Weltpendel(→ IV.1) und Optische Fourier-Transformation (→ IV.2) in der Entwicklung, im Versuchsaufbauund anhand von Messergebnissen beschrieben. Theoretische Darstellungen von Inhaltender RCLs können den Standard-Lernumgebungen 110,111 entnommen werden.Die Qualität der RCLs wird abschließend mit dem Qualitätskriterium Konzeption beurteilt.Verfügbarkeit (← III.1.1.1, Abb. 24) und Interaktivität (← III.1.6, Tab. 16, RCL Weltpendelund RCL Optische Fourier-Transformation) der RCLs sind bereits geprüft bzw. beschrieben.Die Barrierefreiheit, Nutzerfreundlichkeit, Funktionalität und Authentizität wurden exemplarischfür alle RCLs des RCL-Portals überprüft (← III.2.1, Tab. 18). Für beide RCLs werdenabschließend Vorschläge zur Optimierung angegeben.IV.1IV.1.1RCL WeltpendelBreitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung1671 reiste der französische Astronom Richer von Paris (geographische Breite φ = 48,8°)nach Cayenne (geographische Breite φ = 4,9°) in Französisch-Guyana. In Cayenne beobachteteer, dass seine mitgeführte Pendeluhr im Vergleich zu den dortigen Uhren um ca. 2min/Tag nachging. Er führte bereits damals den Effekt richtigerweise auf eine kleinere Erdbeschleunigungin Cayenne zurück 112 : Das Pendel braucht in Cayenne bei konstanter Pendelmasseund verringerter effektiver Gewichtskraft, für eine Schwingung und das Vorrückendes Sekundenzeigers länger als in Paris.Heute, über 300 Jahre nach Richer, werden fortlaufend global die Gravitationsfeldstärke aufder Erdoberfläche mit einem dichten Netz von stationären Messstationen per Fernmessungdurchgeführt. Mit satellitengestützten, beweglichen Messinstrumenten in den MissionenCHAllenging Minisatellite Payload (CHAMP) 113 , Gravity Recovery And Climat Experiment(GRACE) 114 und Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) 115 kanndas Schwerefeld der Erde seit 2000 "flächendeckend" gemessen werden.Zwischen dem Äquator und den Polen nimmt die Erdbeschleunigung von 9,780 m/s 2 um0,052 m/s 2 auf 9,832 m/s 2 zu. Ursachen sind zwei in gleicher Richtung zusammenwirkendeEffekte: Die Zentrifugalbeschleunigung nimmt von 0,034 m/s 2 am Äquator auf null an den Po-108 Vgl. Schuhmacher 2008.109 Vgl. Bender 2008.110 Vgl. RCL-Portal unter RCLs/Weltpendel/Theorie.111 Vgl. RCL-Portal unter RCLs/Optische Fourier-Transformation/Theorie.112 Vgl. Kertz, W., Biographisches Lexikon zur Geschichte der Geophysik, unter Richer.113 Vgl. Geoforschungszentrum Potsdam, The Champ Mission.114 Vgl. Geoforschungszentrum Potsdan, The Grace Mission.115 Vgl. Technische Universität München, Goce Projektbüro, Goce Mission.

IV BEISPIELE für RCLs 102len ab und erklärt ungefähr zwei Drittel der Änderung der Erdbeschleunigung. Die restlichen0,018 m/s 2 sind auf die Zunahme der Gravitationsbeschleunigung zwischen dem Äquatorund den Polen aufgrund der Abplattung der Erde an den Polen zurückzuführen.Es ist nicht so einfach die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung im Rahmen derLehre zu messen: Im g-Ortsfaktor Projekt 116 aus dem Jahr 2006 wurde mit Pendeln an Schulenin Deutschland und der Schweiz Werte der Erdbeschleunigung gemessen, per Mail gesammeltund auf einer Webseite veröffentlicht. Die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigungkonnte wegen der Größe der Messfehler und zu kleiner Breitengradunterschiedenicht nachgewiesen werden. Ein anderer Vorschlag ist die Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung mit einer selbstgebauten, für Klassenfahrten innerhalb Deutschlandstransportabler Fallapparatur nachzuweisen. 117 Deshalb wurde das RCL Weltpendel entwickelt,um in Echtzeit an mehreren Orten der Erde mit hinreichender Genauigkeit und ohne zuReisen über das Internet die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung gemessenwerden kann.IV.1.2 Wahl des MessverfahrensFür Messungen der Erdbeschleunigung muss zwischen professionellen, in Wissenschaft undTechnik eingesetzten Gravimetern und Lehrversuchen unterschieden werden: Zur erstenGruppe gehören Federgravimeter nach Sam Worden, LaCoste oder Romberg für die relativeBestimmung der Erdbeschleunigung mit Genauigkeiten bis zu 10 -8 m/s 2 und Freifallgravimeterzur absoluten Bestimmung der Erdbeschleunigung mit Genauigkeiten bis zu 10 -7 m/s 2 .Zur zweiten Gruppe gehören Federwaage, Fallexperimente inklusive Bewegungen auf derschiefen Ebene, mechanische Schwingungen (Fadenpendel, physisches Pendel, Reversionspendel,Flüssigkeit im U-Rohr) oder eine in einem Zylinder rotierende Flüssigkeit. Im Folgendenwird die Wahl des Messverfahrens beim RCL Weltpendel begründet:• Ungeeignete oder bedingt geeignete MessverfahrenEinfache Federwaagen zur absoluten Bestimmung der Erdbeschleunigung sind zu ungenau.Eine relative Bestimmung der Erdbeschleunigung nach dem Astasierungsprinzip vonFedergravimetern ist für Lernende uninteressant und der Transport des Federgravimeterszwischen Messstationen ist als RCL nicht realisierbar. Die genannten Experimente mitFlüssigkeiten sind zu ungenau, weil die Schwingung einer Flüssigkeit ist zu stark gedämpftist und der entstehende Flüssigkeitsparaboloid nicht genau genug vermessenwerden kann. Für ein RCL sind die Experimente auch nicht wartungsfrei.Bei Fallversuchen zur Bestimmung der Erdbeschleunigung sollte die Reibung minimalsein, weil diese nur schwer berechenbar ist. Ebenso sollte die Anzahl der zu messenden116 Vgl. Krahmer, P., g-Ortsfaktor Projekt.117 Vgl. Schwarz 2005.

IV BEISPIELE für RCLs 103Parameter minimal sein, da jeder mehr zu messende Parameter den Fehler beim Bestimmender Erdbeschleunigung erhöht. Am günstigsten ist der senkrechte Fall im Vakuummit nur einer Ortskoordinate, weil bei anderen Fallversuchen Luft-, Roll- oder Gleitreibungauftritt und zwei Ortskoordinaten benötigt werden. Ein RCL nach dem Prinzip einesFreifallgravimeters mit Vakuum verursacht wegen der Vakuumpumpen für mehrereStandorte zu hohe Kosten.Ein sehr eleganter Fallversuch die Erdbeschleunigung trotz Luftreibung möglichst genauzu bestimmen ist folgender 118 : Die Erdbeschleunigung wird für Kugeln mit gleichemDurchmesser aus Materialien unterschiedlicher Dichte bzw. Masse gemessen. Der jeweilsgemessene Wert der Erdbeschleunigung wird über der reziproken Kugelmasse aufgetragenund nimmt mit steigender Kugelmasse bzw. geringerem Einfluss der Luftreibung aufdie Kugelbewegung zu. Der Schnittpunkt einer nach der Methode der kleinsten Quadrateermittelten Ausgleichsgeraden mit der vertikalen Achse ergibt den gesuchten Wert derErdbeschleunigung für eine unendlich große Kugelmasse. Mit 4 Kugeln aus Wolfram,Stahl, Aluminium und PVC, einer auf 0,1 mm genauen Strecken- und auf 20 μs genauenZeitmessung mit drei Lichtschranken (wegen der unbekannten Zeitverzögerung beimpneumatischen Loslassen der Kugeln) wurde die Erdbeschleunigung auf 0,003 m/s 2 genaubestimmt. Als RCL sind Fallexperiment ohne oder mit Luftreibung wegen der aufwendigenMechanik für die Rückführung und Auslösung der Kugel und der im Webcambildnicht beobachtbaren Fallbewegung nur bedingt geeignet.Mit einem früher noch als Gravimeter verwendeten Reversionspendel können Messgenauigkeitenvon bis zu 10 -5 m/s 2 erzielt werden. Bei richtig eingestellter Massenverteilungdes Pendels stimmen die Schwingungsdauern T 1 und T 2 der Schwingungen um zweiim Abstand l angebrachte Drehachsen überein. In die Bestimmung der Erdbeschleunigunggeht nach g = 4π 2 l/T 2 nur der Abstand l und die Schwingungsdauer T = T 1 = T 2 ein.Ein als RCL ausgeführtes Reversionspendel kann als physisches Pendel nur in der Hochschuleeingesetzt werden und der Aufwand für die ferngesteuerte Mechanik zum Verschiebender Massen ist zu hoch.• Messverfahren beim RCL WeltpendelBei der Bestimmung der Erdbeschleunigung in der Schule mit einem Fadenpendel undder FormeI für die Schwingungsdauer eines mathematischen Pendels entsteht durch dieBestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischen anstatt im physischen Pendelmodellein unbekannter systematischer Fehler. Es wird angenommen, dass dieser systematischeFehler durch einen möglichst dünnen Faden und eine möglichst kleine Kugelhoher Dichte gegenüber den statistischen Fehlern der Längen- und Zeitmessung für schulischeZwecke vernachlässigbar ist. Für ein RCL zur Bestimmung der Breitengradabhängigkeitist der Fehler aber nicht mehr vernachlässigbar, wenn angenommen wird, dass dieErdbeschleunigung mindestens auf 0,1 · 0,052 m/s 2 = 0,0052 m/s 2 genau bestimmt werdenmuss.118 Vgl. Schoch 1991.

IV BEISPIELE für RCLs 104Daher wurde für den schulischen Einsatz des RCLs ein Fadenpendel so dimensioniert,dass die Bestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischen und physischen Pendelmodellzum gleichen Wert der Erdbeschleunigung führt: Der relative Fehler f = (g m -g p )/g p für die im mathematischen Pendelmodell bestimmte Erdbeschleunigung g m gegenüberder im physischen Pendelmodell bestimmten Erdbeschleunigung g p ist mit dem Kugelradiusr k , Kugeldichte ρ K , Drahtradius r D , Drahtlänge l D , Drahtdichte ρ D sowie TrägheitsmomentJ A und Masse m A der Aufhängung gegeben durch1 2 2 4 3g D K A SA D D D K K D Km− g (l + r )[m l + ρπ r l + ρπ r (l + r )]pf = =2 3− 1.g 1p2 3 8 5 4 3 2JA + ρπDrD lD + ρπKrK + ρπKrK(lD + rK)3 15 3In Abb. 36 ist der vom Auslenkwinkel α unabhängige relative Fehler f über dem Kugelradiusr K für näherungsweise gleiche Daten von Draht und Kugel der fünf Pendel aufgetragen(→ Anhang X.12):Abb. 36: Relativer Fehler f der Bestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischenPendelmodell in Abhängigkeit vom Kugelradius r K desPendels.Der Kugelradius r K wurde als unabhängige Variable gewählt, weil andere Parameter nichtvöllig frei gewählt werden konnten: Die Drahtlänge l D musste für einen kleinen statistischenFehler der Längenmessung möglichst groß, das Pendel aber noch kleiner als eineRaumhöhe von ungefähr 3 m sein. Der Drahtradius r D muss mindestens so groß sein,dass die Zugfestigkeit des Drahtes durch das Gewicht der Kugel nicht überschritten wird.Als Kugelmaterial konnte kein Blei gewählt werden, da sonst der Auslenkmechanismusdes Pendels mit einem Magneten (→ IV.1.3, Abb. 37) nicht funktioniert. Als Radius r K derPendelkugeln wurde für verschwindenden Fehler f nach Abb. 36 ein Wert von 4,274 cmgewählt.

IV BEISPIELE für RCLs 105Da die Bestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischen und physischen Pendelmodellzum gleichen Wert der Erdbeschleunigung führt (→ IV.1.4, Tab. 28), kann die erforderlicheMessgenauigkeit der Strecken- oder Zeitmessung nach4πl ∆g∆l∆T= ⇒ = + ⋅g l T2MMg 22TMabgeschätzt werden: Für eine mittlere Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s 2 und eine Pendellängel M = l D + r K = 2,7 m beträgt die Schwingungsdauer T = 3,3 s. Für Δg = 0,005 m/s 2 und einermechanischen Apparatur zur direkten Messung der Pendellänge auf etwa 55 μm genau119 muss der Fehler ΔT der Zeitmessung kleiner als 0,8 ms sein.IV.1.3 Versuchsaufbau und LaborseiteIn Abb. 37 ist der Versuchsaufbau des Weltpendels dargestellt. Vor Inbetriebnahme wird diePosition und Höhe des Grundbretts (1) mit den Aufbauten über vier als Schrauben ausgeführteStandbeine (2) der Position und Höhe der Kugel (3) des Pendels über dem Boden angepasst.Abb. 37: Versuchsaufbau des Weltpendels. Grundbrett (1), Standbeine (2), Kugel (3), Elektromagnet(4), Schlitten (5), Schlittenführung (6), Schrittmotor (7) mit Welle (8), Seilzug (9), Umlenkrolle(10), Zugfeder (11), Interface (12), Taster (13), Teflonfolie (14), Eisenbande (15),Lineal (16), Laserdiode (17), Laserhalter (18), Lochblende (19), Lichtsensor (20), Messelektronik(21) und Laserjustierung (22).Der Auslenkmechanismus, bestehend aus Elektromagnet (4), Schlitten (5), Schlittenführung(6), Schrittmotor (7), Welle (8) Seilzug (9), Umlenkrolle (10) und Zugfeder (11), erlaubt mitHilfe einer im Mikrocontroller des Interface (12) programmierten Fangroutine die Kugel aus119 Vgl. RCL-Portal unter RCL/Weltpendel/Aufbau, 1..

IV BEISPIELE für RCLs 106jedem Bewegungszustand heraus mit dem gesteuerten Elektromagneten festzuhalten. Einbei jedem Auslenkvorgang betätigter Taster (13) justiert den Auslenkmechanismus stets neu.Mit der Teflonfolie (14) wird beim Auslenken des Pendels ein möglichst reibungsfreies Gleitender Kugel entlang der Schenkel des Elektromagneten erzielt. Die verbleibende Reibungund eine nicht exakt im Kugelmittelpunkt angreifende magnetische Kraft können dazu führen,dass der Kugelmittelpunkt nicht auf der gedachten Verlängerung des Pendeldrahts liegt unddas Pendel nach dem Ablösen der Kugel vom Elektromagneten kleine Kippschwingungenausführt. Zwei Eisenbanden (15), davon eine mit Lineal (16) zur Abschätzung der Kugelauslenkung,verhindern bei Fangfehlversuchen ein seitliches Verlassen der Kugel aus derSchwingungsebene.Die Lichtschranke, bestehend aus Laserdiode (17), Laserhalter (18), Lochblende (19),Lichtsensor (20), Messelektronik (21) und Laserjustierung (22) zur Ausrichtung der Laserdiodeauf die Lochblende, erlaubt die Messelektronik eine auf 8 μs genaue Zeitmessung. Reflexions-und Beugungseffekte des Laserstrahls an der Kugeloberfläche und die beschriebenenKippschwingungen beeinflussen den Schaltzeitpunkt der Lichtschranke und vergrößern denMessfehler der Zeitmessung auf 0,1 ms.In Abb. 38 ist die Laborseite des RCL Weltpendels in Kaisersesch und eine Skizze des Pendelsmit Längenangaben für die Auswertung im mathematischen Pendelmodell dargestellt:Abb. 38: Laborseite des RCL Weltpendel am Standort Kaisersesch (links) und Längenangaben desPendels (rechts).Unter Pendelauslenkung kann der anfängliche Auslenkwinkel α o des Pendels gewählt unddie Auslenkung des Pendels gestartet werden. Nachdem der Magnet sich wieder in der Ruhepositionbefindet, beginnt die interne Messung der Schwingungsperiode n und der Gesamtzeitt. Nach Betätigen des Buttons Messen wird die Schwingungsperiode n, die dazugehörigePeriodendauer T, der momentane Auslenkwinkel α und die Gesamtzeit t ausgegeben.

IV BEISPIELE für RCLs 107Die temperaturabhängige Pendellänge l M (ϑ) kann nach dem Messen der Raumtemperatur ϑund anhand der unterhalb des Webcambilds angegeben Daten nach l M (ϑ) = l D,0 + α D ⋅(ϑ - 20°C) + r K bestimmt werden. Während des Experimentierens kann bei kleinen Auslenkwinkelnim mathematischen (m), näherungsweise harmonischen (h) Pendelmodel die Erdbeschleunigungnach g m,h = 4π 2 l M /T 2 bestimmt werden.IV.1.4 Messergebnisse und AuswertungenIn Tab. 28 sind unter Daten die geographische Breite φ, geographische Länge λ und Höhe hüber NN der Standorte von Pendeln mit Google Earth 120 gebäudegenau (Δφ < 0,001°, Δλ

IV BEISPIELE für RCLs 108Analytisch kann die Erdbeschleunigung an den Standorten mit der auf dem Normalschwerefeldder Erde basierenden Normalschwere- bzw. Welmec-Formel2 2 0,000003085 mgW( ϕ ,h) = 9,780318 ⋅ [1 + 0,0053024 ⋅sin ϕ−0,0000058 ⋅sin (2 ϕ)] − ⋅ h2m sbestimmt werden. 122 Der aus dem Gravitationsgesetz abgeleitete, linearisierte Korrekturtermfür die Höhe h berücksichtigt die Abnahme der Erdbeschleunigung bei zunehmender Höhe hund fehlender Masse über dem Referenzellipsoiden, weshalb der Term als Freiluftkorrekturbezeichnet wird. Vorhandene Massen und Dichteverteilungen (Anomalien) führen zu Differenzenzwischen g PTB und g w , die an den Standorten maximal 0,0004 m/s 2 betragen und ungefährum den Faktor 10 unterhalb der Messgenauigkeit der Pendel liegen. In Tab. 28 sindunter Messungen die Raumtemperatur ϑ an den Standorten zur Bestimmung der temperaturabhängigenPendellänge angegeben. Die Schwingungsdauer der Pendel wurde zum Vergleichmit auf 0,003 m/s 2 Referenzmessungen 123 bei kleinstem (≈ 1°) und größtem Auslenkwinkel(≈ 10°) gemessen. Messfehler in der Zeitmessung z. B. durch Kippschwingungen desPendels (← IV.1.3) wurden durch fünfmaliges Messen der Schwingungsdauer T innerhalbvon weniger als 15 Schwingungen und Mittelwertbildung ausgeglichen. Bei größten Auslenkwinkelnnahm wegen der "exponentiell" verlaufenden Dämpfung (→ IV.1.4, ▪ Dämpfungder Pendel) der Auslenkwinkel merklich, aber um weniger als ungefähr 0,1° ab. Angegebenist der Mittelwert der Auslenkwinkel aus erster und zuletzt gemessener Schwingung.In Tab. 28 sind unter g im Pendelmodel mit Auftrieb die Erdbeschleunigung im mathematischen(m) und physischen (p) Pendelmodell für den harmonischen (h) und anharmonischen(a) Fall unter Berücksichtigung des Auftriebs der Pendel in Luft (Δg = 0,0016 m/s 2 ) aus denMesswerten und der Geometrie der Pendel ermittelt (→ Anhang X.12). Im mathematischen,harmonischen Pendelmodel weichen die Erdbeschleunigungen g m,h bei kleinsten Auslenkwinkelnmaximal um 0,0029 m/s 2 von den PTB-Werten ab. Der weit über 0,003 m/s 2 liegendeFehler in diesem Pendelmodell bei größtem Auslenkwinkel zeigt, welchen Einfluss die Anharmonizitäteines Pendels auf die Bestimmung der Erdbeschleunigung hat. Die im anharmonischen,mathematischen und physischen Pendelmodell bis auf 0,00005 m/s 2 übereinstimmendenErdbeschleunigungen g m,a und g p,a zeigen, dass die Pendel richtig dimensioniertwurden. Der Vergleich von g p,a mit den Werten der PTB zeigt, dass der Messfehler allerPendel übereinstimmend mit den Referenzmessungen weniger als 0,0032 m/s 2 beträgt.122 Vgl. Schwartz 2002, S. 4.123 Vgl. Schuhmacher 2008, S. 79-86.

IV BEISPIELE für RCLs 109In Abb. 39 werden die im physischen, anharmonischen Pendelmodell experimentell bestimmtenWerte g p,a der Erdbeschleunigung mit dem Graphen der Welmec-Formel für h = 0m verglichen:Abb. 39: Vergleich von Theorie und Experiment der Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung.Nur beim Standort Kaisersesch konnte für den Vergleich die Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigungvon etwa 0,003 m/s 2 pro 1000 m nicht vernachlässigt werden und der experimentelleWert der Erdbeschleunigung wurde um 0,0015 m/s 2 nach unten korrigiert. Abb. 39zeigt, dass Experiment und Theorie im Rahmen von Messfehlern und Annahmen auf ± 0,003m/s 2 übereinstimmen.Zur umfassenderen Überprüfung der Messgenauigkeit und Stabilität der Weltpendel sowiezur Darstellung erweiterter Mess- und Auswertungsmöglichkeiten wurde exemplarisch amWeltpendel Kaisersesch ungefähr alle 3 min jeweils kurz vor dem automatischen Ausloggendie Schwingungsperiode n, die Schwingungsdauer T, der Auslenkwinkel α und die Gesamtzeitt für Auslenkwinkel zwischen 1,4° und 10° bei der Temperatur ϑ = 23 °C gemessen (→Anhang X.13):• Fehler der Erdbeschleunigungsbestimmung für alle AuslenkwinkelZu jedem Auslenkwinkel α wurde die Erdbeschleunigung g p,a und der Fehler Δg = g p,a -g PTB bestimmt. Verlauf und Größe der in Abb. 40 dargestellten Fehler stimmen mit der Referenzmessung124 überein.124 Vgl. Schuhmacher 2008, S. 83.

IV BEISPIELE für RCLs 110Abb. 40: Fehler der Erdbeschleunigungsbestimmung beim RCLWeltpendel Kaisersesch.• AnharmonizitätDie Schwingungsdauer T theo wird aufgrund der Anharmonizität der Pendel nach2 2 2J ⎡ ⎛1⎞ 2⎛α⎞ ⎛13 ⋅ ⎞ 4⎛α⎞ ⎛13 ⋅ ⋅5⎞ 6⎛α⎞⎤Ttheo( α ) = 2π ⋅ ⎢1 + sin + sin + sin + ... ⎥(m−ρLV)gl ⎜S2⎟ ⎜2⎟ ⎜2 4⎟ ⎜2⎟ ⎜2 4 6⎟ ⎜2⎟⎢⎣⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⋅ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⋅ ⋅ ⎠ ⎝ ⎠ ⎥⎦= T ⋅k( α)0mit zunehmendem Auslenkwinkel α größer. Die Schwingungsdauer T 0 im harmonischenFall für verschwindend kleinen Auslenkwinkel α → 0 wurde aus den Pendeldaten (→ AnhangX.12) ermittelt. Beim Anharmonizitätsfaktor k wurden die Summanden bis zur Potenzacht berücksichtigt. Abb. 41 zeigt, dass die gemessenen Werte der SchwingungsdauerT sehr gut mit dem theoretischen Verlauf der Schwingungsdauer T theo übereinstimmen.Abb. 41: Anharmonizität des RCL Weltpendel Kaisersesch.

IV BEISPIELE für RCLs 111• Dämpfung der PendelWie Abb. 42 zeigt, nimmt der Auslenkwinkel α innerhalb von ca. 3,5 h von 10° auf ungefähr1,5° ab. Die Dämpfung kann nicht durch eine einheitliche Exponentialfunktion beschriebenwerden. Vermutlich dominiert bei kleinen Auslenkwinkeln die Dämpfung durcheine in erster Näherung geschwindigkeitsproportionale Gleitreibungskraft der Pendelaufhängung,die theoretisch durch eine Exponentialfunktion beschrieben wird. Bei großenAuslenkwinkeln und höheren Geschwindigkeiten der Pendelmasse dominiert eine zumQuadrat der Geschwindigkeit proportionale Newton´schen Reibungskraft der Luft, bei dertheoretisch keine exponentielle Abnahme des Auslenkwinkels vorliegt.Abb. 42: Dämpfung des RCL Weltpendel Kaisersesch.• Bestimmung der Erdbeschleunigung im realen PendelmodelDie Erdbeschleunigung kann mit der geforderten Genauigkeit auch im realen Pendelmodel(Index r), dem physischen Pendelmodel mit geschwindigkeitsproportionaler Reibungskraft,bestimmt werden. Aus zwei Messungen n 1 , T 1 , α 1 , t 1 und n 2 , T 2 , α 2 , t 2 kann mitundα1lnα1+α2T1 + T2 α2α= T = δ=2 2 t − t2⎛4π ⎞⎜ +δ2⎟ ⋅ J2=⎝ T ⎠ 2gr,a⋅k( α)(m −ρ V) ⋅lLdie Erdbeschleunigung bestimmt werden. Die schlechteste Wahl der beiden Auslenkwinkelnach Abb. 42 mit n 1 = 61, T 1 = 3,30037 s, α 1 = 9,28°, t 1 = 201,35 s, n 2 = 3817, T 2 =3,29505 s, α 2 = 1,38° und t 2 = 12580,34 s ergibt: Dämpfungskonstante δ = 0,000153953S2 1

IV BEISPIELE für RCLs 112s -1 , Erdbeschleunigung g r,a = 9,8048 m/s 2 und Fehler Δg = g r,a - g PTB = -0,0051 m/s 2 , derknapp außerhalb der geforderten Genauigkeit liegt.Realistischer Weise werden Besucher nicht mehrere Stunden, sondern beispielsweise 15min und im Rahmen der Lehre zur Beobachtung der Dämpfung bei großen Auslenkwinkelnmessen. Mit n 1 = 61, T 1 = 3,30037 s, α 1 = 9,28°, t 1 = 201,35 s, n 2 = 954, T 2 =3,29601 s, α 2 = 4,25° und t 2 = 3145,96 s folgt: Dämpfungskonstante δ = 0,000265211 s -1 ,Erdbeschleunigung g r,a = 9,8083 m/s 2 und Fehler Δg = g r,a - g PTB = -0,0016 m/s 2 .IV.1.5 Konzeption des RCLsIm Folgenden wird das RCL Weltpendel anhand der Qualitätsmerkmale des QualitätskriteriumsKonzeption (← III.1.5, Tab. 15) bewertet:• Zielgerichtetheit: Richtziel, Schulstufe/Studienabschnitt und LehrplanDas RCL Weltpendel trägt dazu bei, die Idealvorstellung von der Erde als Kugel zu relativierenund geometrische Modelle der Erde zu betrachten. Lernende können exemplarischerkennen, dass ein beobachteter Effekt aus zwei in gleiche Richtung wirkende Einzeleffektezusammengesetzt sein kann (Breitengradabhängigkeit der Gravitationskraft und derZentrifugalkraft). Mit dem RCL Weltpendel kann die Frage nach der notwendigen Genauigkeiteines Messinstruments zum Messen eines Effekts thematisiert werden.Die Pendeldimensionierung (← IV.1.2) erlaubt die Bestimmung der Erdbeschleunigungmit gleicher Genauigkeit im mathematischen Pendelmodell zum Einsatz des RCLs Weltpendelsin der Sekundarstufe II und im physischen Pendelmodell zum Einsatz im Grundstudium.Die Anwendung immer komplexerer Pendelmodelle in einem Experiment schaffteinen Übergang zwischen Schul- und Hochschulinhalten.In den Lehrplänen der Länder ist die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigungnicht enthalten. Einige Schulbücher 125,126 und Hochschulbücher 127 thematisieren die Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung, dem Phänomen Gezeiten wird aber mehrBeachtung geschenkt. Das RCL Weltpendel kann im Standardunterricht bei mechanischenSchwingung und der Gravitation eingesetzt werden.• Experimente: Fachliche Richtigkeit, Mehrwert, Vernetzung und VollständigkeitDie Auswertungen der Messungen mit dem RCL Weltpendel Kaisersesch (← IV.1.4, Tab.28, Abb. 39, Abb. 40, Abb. 41, ▪ Bestimmung der Erdbeschleunigung im realen Pendelmodell)belegen die fachliche Richtigkeit des RCLs Weltpendel.Das RCL Weltpendel verfügt über Mehrwerte in den Bereichen experimentelle Features,Lehr-Lernorganisation und Inhalt (← III.3.1, Tab. 22, RCL Weltpendel).125 Vgl. z. B. Grehn 2007, S. 88}.126 Vgl. z. B. Boysen 1997, S. 74-75.127 Vgl. Demtröder 2006, S. 78.

IV BEISPIELE für RCLs 113Vernetzungen werden hergestellt indem zum Verständnis des Pendels als Erdbeschleunigungsmesserund der Erklärung der Breitengradabhängigkeit Inhalte zu mechanischenSchwingungen, zum Trägheitsmoment, zur Gravitation, zu Trägheitskräften und zurMessgenauigkeit von Größen benötigt werden.Das RCL Weltpendel ist unvollständig, da auf der Südhalbkugel keine Messungen durchgeführtwerden können (→ IV.1.6, ▪ Weitere Pendel) und die Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigungnicht nachgewiesen werden kann (→ IV.1.6, ▪ Messungen mit physischenPendeln).IV.1.6 Optimierung des RCLsDas RCL Weltpendel kann in zwei Punkten optimiert werden:• Weitere PendelMit drei weiteren Pendeln auf der Nordhalbkugel bei ungefähr φ = 0°, 30° und 75° kannein vollständigerer Vergleich zwischen experimentell bestimmten Werten der Erdbeschleunigungund der Welmec-Formel erzielt werden (← IV.1.4, Abb. 39). Mindestenszwei weitere Pendel sollten auf der Südhalbkugel positioniert werden, um die Symmetrievon g(φ) zu zeigen. Sinnvoll sind auch zwei Pendel mit gleichem Breiten- und unterschiedlichemLängengrad, um exemplarisch die Unabhängigkeit der Erdbeschleunigungvom Längengrad zu zeigen.• Messungen mit physischen PendelnFür Schulzwecke stehen zur Untersuchung der Breitengradabhängigkeit genügend spezielldimensionierte Fadenpendel bereit (← IV.1.2, ▪ Messverfahren beim RCL Weltpendel).Weitere Pendel können als physische Pendel mit präzise gefertigtem, um eine Drehachseschwingenden starren Pendelkörper von einfach zu berechnendem Trägheitsmoment undSchwerpunkt (z. B. Rund- oder Vierkantstab) ausgeführt werden. Der einzige Freiheitsgraderlaubt einen einfacheren Auslenkmechanismus bestehend aus einem horizontalbeweglichen und zurückziehbarem Stift. Am unteren Ende des Pendels kann eine scharfeSchneide den Laserstrahl der Lichtschranke viel abrupter als bisher unterbrechen unddadurch die Genauigkeit der Zeitmessung steigern. An der Drehachse kann der momentaneAuslenkwinkel elektronisch und berührungslos mit einer Genauigkeit von ungefähr0,1° gemessen werden. Voraussichtlich verbessern diese Maßnahmen die Genauigkeitder Erdbeschleunigungsbestimmung um den Faktor 10 auf ungefähr 0,0001 m/s 2 , so dassauch die Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigung nachweisbar wird. Zu prüfen ist, obdie Standorte der Pendel so gelegt werden können und sollen, dass Anomalien gegenüberder Höhenabhängigkeit vernachlässigt werden können oder nicht.

IV BEISPIELE für RCLs 114IV.2 RCL Optische Fourier-TransformationIV.2.1 Optische Fourier-TransformationMit der Fourier-Transformation schuf der französische Mathematiker Jean Baptiste JosephFourier im Jahre 1822 eine für die Natur- und Ingenieurwissenschaften bedeutende Integral-Transformation. Mathematisch handelt es sich um eine Verallgemeinerung von Fourier-Reihen für periodische Funktionen auf nicht-periodische Funktionen. Von zeitabhängigenSignalen kann mit der eindimensionalen Fourier-Transformation das Frequenzspektrum ermitteltwerden. Ein Teilgebiet der Physik, die Fourieroptik, nutzt die zweidimensionale Fourier-Transformationzur wellentheoretischen Analyse und Manipulation von optischen Abbildungen.Die dreidimensionale Fourier-Transformation wird in der Röntgenstrukturanalyseeingesetzt, um aus der an Kristallen gebeugten Röntgenstrahlung, die Kristallstruktur zu berechnen.Weiterentwicklungen der Fourier-Transformation wie die Discrete Fourier-Transform (DFT) zur Ausführung der Fourier-Transformation auf Computern und ein Algorithmus,die Fast Fourier-Transform (FFT), zur schnelleren Berechnung der Fourier-Transformierten bei der DFT, erlauben heute die Fourier-Transformation fast beliebigerFunktionen.Eine Internetrecherche nach Praktikumsversuchen 128,129,130,131,132,133 zur optischen Fourier-Transformation und Fourieroptik ergibt folgende Inhalten: Intensitätsverteilung eines Beugungsmustersist Quadrat der Fourier-Transformierten des Beugungsobjekts, Eigenschaftender Fourier-Transformation, Modellierung der Streuung von Röntgenstrahlen an Atomen(Form- und Strukturfaktor) und Raumfilterung (Abbe´sche Mikroskoptheorie, Entrasterungvon Bildern). Idee zum RCL Optische Fourier-Transformation war, mit einer Vielzahl vonBeugungsobjekten möglichst viele mathematische Eigenschaften der Fourier-Transformationzu visualisieren und die Struktur der Beugungsmuster zweidimensionaler, periodischer Beugungsobjekteuntersuchen zu können.IV.2.2 Fourier-Transformation und Fraunhofer´sche BeugungBetrachtet wird in Abb. 43 die Beugung von kohärentem, monochromatischem Licht (Wellenlängeλ, Betrag k = 2π/λ des Wellenvektors) an einer zweidimensionalen, beliebig geformtenund im Allgemeinen nicht zusammenhängenden Blendenöffnung in der x-y-Ebene:128 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Versuchsanleitung Abbe´sche Mikroskoptheorie im Fortgeschrittenenpraktikum.129 Vgl. Universität Erlangen-Nürnberg, Versuchsanleitung Optische Transformation im Röntgenpraktikum.130 Vgl. Technische Universität Chemnitz, Versuchsanleitung Fourieroptik im Praktikum Festkörperphysik.131 Vgl. Universität Münster, Experimentelle Übung Optische Fourier-Transformation.132 Vgl. Universität Heidelberg, Versuchsanleitung Fourieroptik im Physikalischen Anfängerpraktikum.133 Vgl. Universität Göttingen, Versuchsanleitung Fourieroptik im Master Forschungspraktikum, Zugang seit SS 2011 nur nochfür Studierende.

IV BEISPIELE für RCLs 115Abb. 43: Fourier-Transformation der Blendenfunktionf(x,y) in die Fourier-Transformierte F(X,Y).Welche Lichtintensität I F (X,Y) wird auf dem Schirm im Punkt P in der zum Beugungsobjektparallelen X-Y-Ebene unter der Voraussetzung, dass der Schirmabstand s sehr viel größerals die maximale Ausdehnung der Blendenöffnung ist (Fraunhofer´sche Beugung), beobachtet?Liegt unmittelbar hinter der Blendenöffnung zu einem beliebigen Zeitpunkt eine örtlicheVerteilung f(x,y) der komplexen Amplituden der elektrischen Feldstärke vor, dann ergibt einekonsequente Anwendung des Huygens-Fresnelschen Prinzips und die Kleinwinkelnäherung2π2πkx= k ⋅sinα≈ X ky= k ⋅sinβ≈Y ,λsλsdass die komplexe Amplitude F(k x ,k y ) der elektrische Feldstärke im Punkt P gegeben istdurchxy∞ ∞∫∫− i(kxx+kyy). 134−∞ −∞F(k ,k ) = f(x, y) ⋅ e dxdyDanach ist F(k x ,k y ) die Fourier-Transformierte von f(x,y). Beobachtet werden kann auf demSchirm nicht die elektrische Feldstärke F(X,Y), sondern die Lichtintensität∗I (X, Y) : F(X, Y) ⋅ F (X, Y) = F(X, Y) .FIm Folgenden wird auf unterschiedliche Bezeichnungen von mathematischen und physikalischenGrößen verzichtet, um die Anzahl der Größenbezeichnungen übersichtlich zu halten.Die mathematischen Bezeichnungen werden im Hinblick auf die Formulierung der Eigenschaftender Fourier-Transformation (→ IV.2.5) gewählt.Die Beugungsobjekte des RCLs werden senkrecht mit parallelem Laserlicht bestrahlt undlassen Licht nur an den vorgesehen Blenden ohne Absorptionen und Phasenverschiebungenpassieren. Daher ist f(x,y) identisch mit der Feldstärkeverteilung im Querschnitt des Laser-2134 Vgl. z. B. Pérez 1996, S. 328-339.

IV BEISPIELE für RCLs 116strahls. Vom Strahlprofil des Lasers wird nur ein kleiner, um die Strahlachse liegender Bereichverwendet, so dass der Betrag der Feldstärke als konstant angenommen werden kann.Die Feldstärkeverteilungen f(x,y) sind daher reelle Null-Eins-Funktionen und werden im Folgendenals Blendenfunktionen bezeichnet. Blendenfunktionen werden mit Kleinbuchstaben(f, g, h), die zugeordneten Fourier-Transformierten mit Großbuchstaben (F, G, H) und diezugeordneten Intensitätsverteilungen mit I und Index der Fourier-Transformierten (I F , I G , I H )bezeichnet. Bei aus Einzelformen zusammengesetzten Beugungsobjekten werden für dieEinzelform die speziellen Bezeichnungen f E , F E und I E verwendet. Die Bildung der Fourier-Transformierten eines Ausdrucks wird mit FT[Ausdruck] angegeben.IV.2.3 BeugungsobjekteIV.2.3.1 AuswahlZweidimensionale Beugungsobjekte bestehen aus lichtdurchlässigen Einzelformen die Gitterpunkteeines Punktgitters auf einem lichtundurchlässigen Material besetzen. Die Einzelformenkönnen einheitlich oder uneinheitlich in Größe, Form oder Orientierung sein. Die Gitterpunktekönnen ein regelmäßiges, recht- oder schiefwinkliges Punktgitter bilden oder siekönnen mit Übergängen zwischen völlig unregelmäßig und regelmäßig angeordnet sein.Kombinationen dieser Variationsmöglichkeiten und unterschiedliche Abmessungen ergebeneine große Anzahl zweidimensionaler Beugungsobjekte. Allen Beugungsobjekten ist gemeinsam,dass das Punktgitter bzw. das Beugungsobjekt durch das Material räumlich begrenztist oder gezielt begrenzt werden kann.Der Auswahl aus dieser Vielzahl von Beugungsobjekten kommt ein hoher Stellenwert zu, dadarüber die Inhalte des RCLs Optische Fourier-Transformation festgelegt werden. Die inTab. 29 dargestellten Beugungsobjekte wurden so gewählt, dass damit die Eigenschaftender Fourier-Transformation und Strukturen von Beugungsmustern untersucht werden können:

IV BEISPIELE für RCLs 117Nr. Gruppe Varianten Anzahl1Einzelformen502Einzelformen an denEcken von Formen483Kreise in durch Rechteckbegrenztem quadratischemGitter334Kreise in durch Einzelformen begrenztemquadratischen Gitter1656Kreise auf Streckenund gekreuzte Spalte63Tab. 29: Übersicht der Beugungsobjekte.Einzelformen der Gruppe 1 sind durch maximal zwei Abmessungen a und b festgelegt.Gruppe 2 enthält geometrische Figuren deren Ecken mit Einzelformen besetzt sind und aufKreisen mit Durchmesser D verteilte Einzelformen. Gruppe 3 enthält Beugungsobjekte zur

IV BEISPIELE für RCLs 118Untersuchung des wichtigen Spezialfalls eines rechteckförmig begrenzten quadratischenPunktgitters (N x M-Gitter). Beugungsobjekte der Gruppe 4 sind mit Kreisen besetzte rechtwinklige,quadratische Punktgitter mit Punktabstand c, die durch Einzelformen der Gruppe 1begrenzt sind. Beugungsobjekte der Gruppe 5 sind äquidistante Anordnungen von Kreisenauf Strecken, Beugungsobjekte der Gruppe 6 unter dem Winkel α gekreuzte Spalte. Insgesamtsind in den 6 Gruppen mit mehreren Werten der Parameter a, b, c, D, N, M und α 156Beugungsobjekte verfügbar.IV.2.3.2 HerstellungBeugungsobjekte des RCLs Beugung und Interferenz I wurden photolithographisch hergestellt.135 Eine mit einem Grafikprogramm erstellte Vorlage für die Beugungsobjekte wurde alsGrafikdatei abgespeichert, über eine Belichtungsanlage mit Desktop-Publishing-System aufeine Filmfolie mit harter Gradation laserbelichtet (λ = 465 nm) und die Filmfolie entwickelt.Das Auflösungsvermögen der Belichtungsanlage liegt bei ungefähr 2500 dpi oder 10 μm.Realisiert werden konnten Beugungsobjekte mit minimalen Spaltbreiten von 30 μm.Die Beugungsobjekte des RCLs Optische Fourier-Transformation wurden elektronenstrahllithographischmit einem Gerät der Firma Raith 136 hergestellt. Eine Vorlage für die Beugungsobjektewird mit der geräteeigenen Software erstellt, die dann den Elektronenstrahlnach der Vorlage steuert. Abb. 44 zeigt links die Herstellungsschritte eines Beugungsobjekts137 und rechts einen fertigen Beugungsobjektträger mit mehreren Beugungsobjekten:Abb. 44:Querschnittsbilder der Herstellungsschritte eines Rechtecks als Beugungsobjekt (links) undGlasplatte mit Chromschicht der Beugungsobjekte (rechts).Eine Glasplatte der Abmessungen 5 cm x 5 cm x 1 mm (1) wird mit flüssigem Polymethylmethacrylat(PMMA, umgangssprachlich Plexiglas) beschichtet (2) und getrocknet. Soll z. B. ei-135 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Foto-Repro-Druck-Werkstatt.136 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Nano + Bio Center - Zentrum für Nanostrukturtechnologie und MolekularbiologischeTechnologie.137 Vgl. Grant 2003, S. 14-22.

IV BEISPIELE für RCLs 119ne rechteckförmige lichtundurchlässige Fläche hergestellt werden, dann wird diese Flächemit Elektronen bestrahlt und dabei die Molekülketten des PMMA in kleinere Molekülkettengeteilt. Aufgrund von Streuprozessen der Elektronen im PMMA und der Rückstreuung vonElektronen vom Glasträger, ist das bestrahlte Volumen nicht quader-, sondern mehr pyramidenstumpfförmig(3). Das chemisch veränderte PMMA kann aus der PMMA-Schicht mit einemorganischen Lösungsmittel als Entwickler herausgelöst werden (4). Beim Aufbringen einerChromschicht bleibt aufgrund des pyramidenstumpfförmigen Volumens zwischenChromschicht und PMMA ein chrom- und PMMA-freier Spalt (5). Dadurch lässt sich das unbestrahltePMMA mit einem weiteren geeigneten Lösungsmittel mitsamt der darüber liegendenChromschicht entfernen (6). Mit dem Verfahren können auf der Glasplatte innerhalb einesKreises vom Radius 2,2 cm und einem quadratischen Raster aus 3 x 3 mm großen Flächenmit 0,2 mm Abstand fast 100 Beugungsobjekte platziert werden.Aufgrund der Verwendung von Elektronen als Abbildungsträger liegt das theoretische Auflösungsvermögender Elektronenstrahllithographie (Electron Beam Lithography (EBL)) in derGrößenordnung der De-Broglie Wellenlänge. Für eine maximale BeschleunigungsspannungU B = 30 kV des verwendeten Geräts sind das ungefähr 10 pm. Höhere Beschleunigungsspannungenmachen keinen Sinn, da das tatsächliche Auflösungsvermögen durch die Qualitätund Querschnitt des Elektronenstrahls und die Streuung der Elektronen auf ungefähr 20nm begrenzt wird. Zur Herstellung von Beugungsobjekten wird die höchstmögliche Auflösungdes Geräts nicht benötigt, weil Beugungsobjekte mit Abmessung kleiner als 1 - 5 μm zu wenigLicht transmittieren.Abb. 45 zeigt qualitativ den Unterschied zwischen dem Beugungsmuster eines photolithographischhergestellten Spalts beim RCL Beugung und Interferenz I und eines elektronenstrahllithograpischhergestellten Rechtecks beim RCL Optische Fourier-Transformation:Abb. 45: Screenshots von Beugungsmustern eines photolithographisch hergestellten Spaltsmit Spaltbreite a = 100 μm (links) und eines elektronenstrahllithographisch hergestelltenRechtecks mit Breite a = 90 μm und Höhe b = 30 μm (rechts).Vorteile der elektronenstrahllithographischen gegenüber der photolithographischen Herstellungvon Beugungsobjekten sind ein um den Faktor 10 höheres Auflösungsvermögen, derhöhere Kontrast der Beugungsobjekte durch die Chromschicht und der scharfkantige Über-

IV BEISPIELE für RCLs 120gang zwischen lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Flächen. Dadurch werden kleinereStrukturen im Beugungsmuster beobachtbar und Lichtintensitätsmessungen beim RCLBeugung und Interferenz II zeigen, dass gemessene und theoretische Intensitätsverteilungder Beugungsmuster so gut wie identisch sind 138 .IV.2.4 Versuchsaufbau und LaborseiteDer in Abb. 46 dargestellte Versuchsaufbau ist ein Standardaufbau zur Fraunhofer´schenBeugung:Abb. 46: Versuchsaufbau des RCLs Optische Fourier-Transformation. Laserdiode (1), Beugungsobjektträger(2), Scanner (3), quadratische Blende (4), Schirm (5), Webcam (6), Interface (7).Grünes, paralleles Licht der Wellenlänge λ = 532 nm einer 10-mW-Laserdiode (1) fällt senkrechtauf zweidimensionale Beugungsobjekte. Jedes Beugungsobjekt auf den Beugungsobjektträgern(2) kann mit der Positionierungsmechanik zweier Scanner (3) in horizontaler undvertikaler Richtung in den Strahlengang des Laserstrahls bewegt werden. Eine 2 mm x 2 mmgroße quadratische Blende (4) schränkt den Querschnitt des Laserlichtbündels auf die Flächeder Beugungsobjekte ein.138 Vgl. Gröber 2009, Abb. 7, S. 46.

IV BEISPIELE für RCLs 121Ein Schirm (5) aus halbtransparentem Papier im Abstand s = 49,5 cm von den Beugungsobjektenmacht das Beugungsmuster sichtbar und mit einer Webcam (6) hinter dem Schirmbeobachtbar. Aufgrund der gewählten Geometrie (paralleles Laserlichtbündel, Abstand s >>Abmessung der Beugungsobjekte von 2 mm) liegt Fraunhofer´sche Beugung vor und es wirdkeine Abbildungslinse hinter dem Beugungsobjekt benötigt. Ein- und Ausschalten der Laserdiodeund die Positionierung der Beugungsobjekte werden vom Mikrocontroller des Interface(7) gesteuert. Die bekannte Breite b = 8,9 cm des Webcambildes erlaubt Streckenmessungenin den Screenshots des Webcambildes. Die gesamte Apparatur befindet sich zumSchutz vor Laserstrahlung und Fremdlicht unter einem Verdunklungskasten, der in Abb. 46nicht dargestellt ist.Abb. 47 zeigt die Laborseite des RCLs Optische Fourier-Transformation:Abb. 47: Laborseite des RCLs Optische Fourier-Transformation.Die Laserdiode kann ein- und ausschaltet werden, ein Beugungsobjekt gewählt und die Positionierungder Beugungsobjekte neu justieren werden. Ein nutzerfreundlicher Zugriff auf die156 Beugungsobjekte wird durch sukzessive Wahl der Gruppe des Beugungsobjekts (←IV.2.3.1, Tab. 29) wie z. B. Einzelformen, einer Variante wie z. B. Rechteck mit Einblendungder Abmessungen und der konkreten Abmessungen des Beugungsobjekts erzielt. Für einendirekten Vergleich von Beugungsobjekt und Beugungsmuster wird unterhalb des Webcambildesdas gewählte Beugungsobjekt dargestellt. Der Button Screenshot erlaubt das Speicherndes Beugungsmusters zur weiteren Auswertung. Der Button Experiment neu ausrichtenkalibriert die Scanner neu.

IV BEISPIELE für RCLs 122IV.2.5 Eigenschaften der Fourier-TransformationIV.2.5.1 Verschiebung, Skalierung und lineare Transformation des ArgumentsIm Folgenden werden Eigenschaften der Fourier-Transformation veranschaulicht, die Aussagenüber die Veränderung der Fourier-Transformierten bei Änderung der Argumente x undy der Blendenfunktion f(x,y) machen:• ArgumentverschiebungIst f um ein reelles x 0 in x- und ein reelles y 0 in y-Richtung gegenüber g verschoben, danngilt:−ikxx−ik 0yy00 0 x y x yf(x, y) = g(x −x , y − y ) F(k ,k ) = e ⋅e ⋅G(k ,k )I (k ,k ) = I (k ,k )F x y G x yDa sich F und G nur um einen Phasenfaktor unterscheiden, sind I F und I G identisch. EineVerschiebung des Beugungsobjekts bei gleicher Ausleuchtung ergibt auf dem Schirm dasgleiche, lediglich verschobene Beugungsmuster. Die Argumentverschiebung wird unterder Eigenschaft Linearität thematisiert (→ IV.2.5.2, ▪ Linearität), weil kleine seitliche Verschiebungendes Beugungsobjekts im RCL nicht beobachtet werden können.• ArgumentskalierungGeht f durch Skalierung der Argumente x und y mit den reellen Faktoren r und s aus ghervor dann gilt:x yf(x, y) = g( , ) F(kx,k y) = rs ⋅ G(rkx,sk y)r sI (k ,k ) ~ (rs) ⋅I (rk ,sk )2F x y G x yWird die Blendenfunktion g um den Faktor |r| in x- und den Faktor |s| in x-Richtung gestaucht(|r|,|s| > 1) oder gestreckt (0 < |r|,|s| < 1), dann ist I F in X- bzw. Y-Richtung gegenüberI G gestreckt (0 < 1/|r|,1/|s| < 1) oder gestaucht (1/|r|,1/|s| > 1). Die Argumentskalierungwird in Abb. 48 am Beispiel des Beugungsmusters eines Quadrates mit Kantenlängea überprüft:a = 40 μm a = 50 μm a = 60 μmAbb. 48: Abstände zwischen den Minima 6. Ordnung für verschiedene Kantenlängen a des quadratischenBeugungsobjekts.

IV BEISPIELE für RCLs 123Für die Streckungsfaktoren r = 40/50 = 0,80 und r = 40/60 = 0,66 des Quadrates erhältman aus Messungen des Abstands der Minima 6. Ordnung in den Beugungsmustern r´ =5,98/7,65 = 0,78 und r´ = 4,98/7,65 = 1,65. Qualitativ ist in Abb. 48 erkennbar, dass wegen0 < r < 1 und nach der Formel für I F die Lichtintensität des Beugungsmusters mit zunehmenderKantenlänge des Quadrats abnimmt.• Lineare ArgumenttransformationGeht f aus g durch lineare Transformation der Argumente hervor, dann geht F aus G auchdurch eine lineare Transformation der Argumente hervor. Mit reellem r 1 , r 2 , s 1 , s 2 und D ≠0 gilt:f(x,y) = g(rx+ s y,r x+ s y) D= rs −r s1 1 2 2 1 2 2 11 ⎛ 1 1⎞F(kx,k y) = G (s2kx r2k y), ( sk1 xrk1 y)D⎜ − − +D D⎟⎝⎠1 ⎛ 1 1⎞IF(k x,k y)~ I2 G(s2kx r2k y), ( sk1 xrk1 y)D⎜ − − +DD⎟⎝⎠Für s 1 = r 2 = 0, r 1 = 1/r, s 2 = 1/s, D = 1/(rs) ergibt sich der Spezialfall der Argumentskalierung.In Abb. 49 ist die Transformation der Blendenfunktion eines Quadrates der Kantenlängea in eine Raute mit den Diagonalen e und f dargestellt:x yg(x, y) = rect( , )a aa a a af(x, y) = rect( − x + y, x + y)e f e f4 2 a2 afe 2 2 e fIG(k x,k y) ~ a ⋅sinc ( kx) ⋅ sinc ( ky)IF(k x,k y) ~ ( ) ⋅sinc ( − kx+ ky)⋅2 22 4 42 e f⋅ sinc ( kx+ ky)4 4Abb. 49: Transformation der Blendenfunktion und der Intensitätsverteilung eines Quadratsder Kantenlänge a = 50 μm in die einer Raute mit den Diagonalen e = 50 μmund f = 37,5 μm.

IV BEISPIELE für RCLs 124Die Transformation bildet 90°-Innenwinkel der quadratischen Blende auf Innenwinkel derRaute ab. Im Beugungsmuster der Raute stimmt daher der Winkel zwischen den zweiReihen der hellsten Maxima von 75° mit einem Innenwinkel α = 2⋅arctan(f/e) = 74° derRaute überein.IV.2.5.2 Linearität, Separabilität und SymmetrieIm Folgenden werden die Eigenschaften Linearität und Separabilität der Fourier-Transformation sowie Zusammenhänge zwischen der Symmetrie der Beugungsobjekte undder Beugungsmuster behandelt:• LinearitätWird f als Linearkombination von g und h mit den reellen Faktoren r und s dargestellt,dann ist F eine Linearkombination von G und H mit den Faktoren r und s:f(x, y) = r ⋅ g(x, y) + s ⋅ h(x, y) F(k ,k ) = r ⋅ G(k ,k ) + s⋅H(k ,k )x y x y x yI (k ,k ) ~ r I (k ,k ) + s I (k ,k ) + 2rsG(k ˆ ,k )H(k ˆ ,k )cos[ ϕ (k ,k ) −ϕ (k ,k )]2 2F x y G x y H x y x y x y H x y G x yDie Linearität ist das Superpositionsprinzip: Auf dem Schirm addieren sich die komplexenAmplituden bzw. Vektoren der elektrischen Feldstärken der einzelnen Feldstärkeverteilungenbzw. Blendenfunktionen. Bereits die Superposition zweier Felder führt im Allgemeinenwegen des dritten Interferenz-Summanden von I F (mit ∧ sind Beträge der komplexenAmplituden bezeichnet) zu komplizierten, nicht mehr anschaulich interpretierbaren Intensitätsverteilungen.Deshalb wird die Linearität mit Beugungsobjekten aus zwei gleichenEinzelformen im Abstand c überprüft:ccf(x,y) = fE(x − ,y) + fE(x + ,y)2 2Linearität} ccF(kx,k y) = F[fE(x − , y)] + F[fE(x + , y)]2 2Argumentverschiebung}cc−i kxi kxc2 2= e ⋅ FE(k x,k y) + e ⋅ FE(k x,k y) = 2⋅F E(k x,k y) ⋅cos( kx)22 cIF(k x,k y)~4⋅I E(k x,k y) ⋅cos ( kx)2Abb. 50 zeigt für die Einzelformen Kreis mit Durchmesser a und Quadrat mit Kantenlängea die Beugungsmuster:

IV BEISPIELE für RCLs 125Abb. 50: Beugungsmuster von Beugungsobjekten aus zwei Kreisen mit Durchmesser a= 30 μm (links) und zwei Quadraten mit Kantenlänge a = 30 μm (rechts) im Abstandc = 60 μm.Die Intensitätsverteilung I F (k x ,k y ) ist eine kosinusquadratförmig, in X-Richtung modulierteIntensitätsverteilung der Einzelform. Da der Kosinusterm maximal 1 werden kann, betragendie maximalen Intensitäten im Beugungsmuster das 4-fache wie die der Einzelform.Das Beugungsmuster des Doppelquadrats zeigt, dass die Kosinusquadrat-Modulationzum Wegfall von Maxima in X-Richtung des Beugungsmusters eines Quadrats führenkann. Variation der Abmessung a der Einzelformen und des Abstands c zwischen Einzelformenzeigen die Unabhängigkeit der Intensitätsverteilungen von Einzelform und Kosinusquadrat-Modulation.Messungen wie bei der Argumentskalierung (← IV.2.5.1, Abb. 48)bestätigen die Lage der Minima der Kosinusquadrat-Modulation bei X n = λs(2n - 1)/(2c)mit natürlichem n.• SeparabilitätLässt sich f als Produkt einer nur von x abhängigen Blendenfunktion g und einer nur von yabhängigen Blendenfunktion h schreiben (f ist separabel), dann ist auch F separabel in Gund H:f(x,y) = g(x) ⋅ h(y) F(k ,k ) = G(k ) ⋅H(k )I (k ,k ) ~ I (k ) ⋅I (k )F x y G x H yx y x yDie Intensitätsverteilung I F ist dann auch separabel. Geometrisch gedeutet ist eine zweidimensionalenBlendenfunktion separabel, wenn für einen Wert y = y 1 = konstant ein eindimensionalesFunktionsprofil z = f(x,y 1 ) = g(x)⋅h(y 1 ) betrachtet wird und alle weiterenFunktionsprofile z = f(x,y) bei y ≠ y 1 = konstant sich durch Streckung/Stauchung in z-Richtung aus f(x,y 1 ) ergeben. Abb. 51 zeigt als Beispiel die separierbare Blendenfunktionf einer quadratischen Blende als Beugungsobjekt:

IV BEISPIELE für RCLs 126Abb. 51: Separierbare Blendenfunktion einer quadratischen Blende mit Kantenlänge a(links) und separierbare Intensitätsverteilung des Beugungsmusters (rechts).Der Faktor zwischen Funktionsprofilen in x- und y-Richtung der Blendenfunktion ist immer1 oder 0. Im Beugungsmuster ist qualitativ erkennbar, das Intensitätsprofile in X- und Y-Richtung durch Multiplikation mit einem Faktor auseinander hervorgehen. Wenn einezweidimensionale Blendenfunktion separierbar ist, kann die Berechnung der Fourier-Transformierten bzw. der Intensitätsverteilung auf die Berechnung bekannter eindimensionalerFourier-Transformationen zurückgeführt werden. Für die quadratische Blendeergibt sich mit FT[rect(x)] = sinc(k x /2):x y x yf(x,y) = rect( , ) = rect( ) ⋅ rect( )a a a aArgument-Separabilitätskalierung} x y }2 a aF(kx,k y) = FT[rect( )] ⋅ FT[rect( )] = a ⋅sinc( kx) ⋅sinc( ky)a a 2 24 2 a2 aIF(k x,k y) ~ a ⋅sinc ( kx) ⋅sinc ( ky)2 2• SymmetrieIst f z. B. achsensymmetrisch zur y-Achse, dann ist F achsensymmetrisch zur Y-Achse:f(x, y) = f( − x, y) F(k ,k ) = F( −k ,k )I (k ,k ) = I ( −k ,k )F x y F x yx y x yI F ist dann auch achsensymmetrisch zur Y-Achse. Eine Drehung des Beugungsobjektsum den Winkel α dreht auch das Beugungsmuster um den Winkel α und eine Verschiebungdes Beugungsobjekts hat keinen Einfluss auf das Beugungsmuster (← IV.2.5.1,▪ Argumentverschiebung): I F ist daher zu allen Achsen symmetrisch zu denen auch fsymmetrisch ist. Ein Kreis als einzige rotationssymmetrische Figur in der Ebene muss einrotationssymmetrisches Beugungsmuster haben. In Abb. 52 werden diese Aussagen anhandvon 8 Beugungsobjekten und der dazugehörigen Beugungsmuster bestätigt:1 2 3 4

IV BEISPIELE für RCLs 127n = 2 n = 2 n = 4 n = ∞n = 2 n = 2 n = 4 n = ∞5 6 7 8n = 1 n = 1 n = 3 n = 5n = 2 n = 2 n = 6 n = 10Abb. 52: Anzahl n der Symmetrieachsen bzw. Zähligkeit n der Drehachse (senkrecht zur Bildebene)von Beugungsobjekten und deren Beugungsmuster.In den Beispielen 5 - 8 ist die Anzahl n der Symmetrieachsen bzw. die Zähligkeit n der Drehachseder Beugungsmuster doppelt so groß wie die der Beugungsobjekte. Das Phänomenkann anschaulich an den Beugungsmustern eines V mit n = 1 und eines X mit n = 2 und dergut erfüllten Annahme, dass die Beugungsmuster der Strecken bzw. Spalte der Buchstabensich unabhängig voneinander überlagern (kein Interferenzterm): Jeder Buchstabe erzeugt alsBeugungsmuster zwei sich kreuzende Beugungsmuster der Spalte mit n = 2.IV.2.5.3 Faltungs- und MultiplikationssatzDer Faltungs- und Multiplikationssatz (Umkehrung des Faltungssatzes) sind die wesentlichenSätze zum Verständnis der Struktur von Beugungsmustern. Anhand von Grenzfällen wird imFolgenden schrittweise die allgemeine Struktur periodischer zweidimensionaler Beugungsobjekteerklärt:• Faltungssatz

IV BEISPIELE für RCLs 128Die Fourier-Transformierte F der Faltung zweier Blendenfunktionen g und h ist das Produktder Fourier-Transformierten G und H:f(x, y) = g(x, y) ∗ h(x, y) F(k ,k ) = G(k ,k ) ⋅H(k ,k )I ~ I (k ,k ) ⋅I (k ,k )F G x y H x yx y x y x yDie Blendenfunktion f eines unendlich ausgedehnten, rechtwinkligen Gitters mit Gitterpunktabständenc > 0 in x- und d > 0 in y-Richtung, das mit einer einheitlichen Einzelformbesetzt ist, kann als Faltung der Blendenfunktion f E mit der zweidimensionalen, skaliertenund auf 1 normierten Kammfunktion comb(x,y) dargestellt werden:Definition derKammfunktion}∞1 x y 1 x yf(x, y) = fE(x, y) ∗ ⋅ comb( , ) = fE(x, y) ∗ ⋅ ∑ δ( −n, −m)cd c d cd c dArgumentskalierungEigenschaft der Faltungn,m=−∞mit Deltafunktion} ∞}∞= f (x,y) ∗ δ(x−nc,y− md) = f (x−nc,y−md)E∑n,m=−∞∑n,m=−∞Da f E eine Null-Eins-Funktion ist, ergibt die Summation, wenn c und d hinreichend großgegenüber den Abmessungen der Einzelform gewählt wurden, die Wiederholung derBlendenfunktion f E an den Stellen x n = nc und y m = md. Die Anwendung des Faltungssatzes,des Skalierungssatzes und von FT[comb(x,y)] = comb(k x ,k y ) ergibt:Faltungssatz}x yF(kx,k y) = FE(k x,k y) ⋅FT[comb( , )]c dSkalierungssatz undFT der KammfunktionKammfunktion} }∞= F (k ,k ) ⋅ comb(ck ,dk ) = F (k ,k ) ⋅ δ(ck −n,dk −m)}=Definition derE x y x y E x y x yn,m=−∞Eigenschaftder Deltafunktion∞∑n,m=−∞n mF(E, ) ⋅δ(ckx−n,dk y−m)c dDie Intensitätsverteilung kann nicht angegeben werden, weil das Quadrat der δ-Funktionnicht definiert ist. Abb. 53 zeigt die Intensitätsverteilung eines näherungsweise aus unendlichvielen Kreisen bestehenden rechtwinkligen Gitters mit c = d:E∑Abb. 53: Beugungsmuster eines mit Kreisen (a = 15 μm) besetzten, quadratischen50 x 50-Punktgitter (c = d = 60 μm).

IV BEISPIELE für RCLs 129In Übereinstimmung mit der Herleitung ist das Beugungsmuster ein mit der Intensitätsverteilungdes Kreises moduliertes reziprokes Punktgitter. Die Abstände des reziprokenPunktgitters liegen auf dem Schirm bei X n = sn/(kc) und Y m = sm/(kd).Als weiteres Beispiel zum Faltungssatz werden nochmals Beugungsobjekte aus zwei gleichenEinzelformen (← IV.2.5.2, Abb. 50) betrachtet. Die Blendenfunktion f kann alternativauch dargestellt werden alsccf(x,y) = fE(x,y) ∗δ(x − ,y) + fE(x,y) ∗δ (x + ,y)2 2Distributivgesetz.der Faltung}c c= fE(x,y) ∗[ δ(x − ,y) +δ (x + ,y)]2 2Die Anwendung des Faltungssatzes, der Argumentverschiebung, von FT[δ(x,y)] = 1 undder komplexen Darstellung des Kosinus ergibt die gleiche Intensitätsverteilung:Faltungssatz}c cF(kx,k y) = FE(k x,k y) ⋅FT[ δ(x − ,y) +δ (x + ,y)]2 2FT der Deltafunktionund komplexe Dar-Argumentverschiebung} ccstellung des Cosinus−ik}xikxc2 2= FE(k x,k y) ⋅(e ⋅FT[ δ (x,y)] + e ⋅FT[ δ (x,y)]) = 2 ⋅F E(k x,k y) ⋅cos( kx) 22 cIF(k x,k y)~4⋅I E(k x,k y) ⋅cos ( kx)2• MultiplikationssatzIst f das Produkt von g und h, dann ist F die Faltung von G und H:f(x, y) = g(x, y) ⋅ h(x, y) F(k ,k ) = G(k ,k ) ∗H(k ,k )x y x y x yI (k ,k ) = G(k ,k ) ∗H(k ,k ) ⋅(G(k ,k ) ∗H(k ,k )) ∗F x y x y x y x y x yIn Abb. 54 wird das beim Faltungssatz betrachtete Beugungsobjekt in der Ausdehnungdurch eine Einzelform z. B. Raute als Fenster (Blendenfunktion f E,F ) begrenzt. Vereinfachendwird zunächst angenommen, dass die Einzelformen an den Gitterpunkten sehr vielkleiner als die Abstände c und d der Gitterpunkte sind und als Punktstrahler angenommenwerden können. Die Blendenfunktion f kann dann dargestellt werden als1 x yf(x, y) = fE,F(x, y) ⋅ comb( , )cd⋅ c d.Anwendung des Multiplikationssatzes und weiterer Eigenschaften ergibt:Multiplikationssatz}1 x yF(x, y) = FE,F(x, y) ∗FT[ ⋅comb( , )]cd c dArgumentskalierung undFT der KammunktionEigenschaft der Faltungmit Deltafunktion} }∞1 n m= FE,F(kx,k y) ∗ comb(ckx,dk y) = ⋅ ∑ FE,F(kx− ,ky− )cd c dn,m=−∞

IV BEISPIELE für RCLs 130Die Fourier-Transformierte F ist ein unendlich ausgedehntes rechtwinkliges Punktgitter mitden reziproken Abständen 1/c in X- und 1/d in Y-Richtung mit der Fourier-Transformiertenbzw. Intensitätsverteilung der Blendenfunktion f E,F (Beugungsmuster der Raute in Abb.54) an den Gitterpunkten.Abb. 54: Zusammenhang zwischen der Struktur von Beugungsobjekt (mitEinzelform besetztes quadratisches und durch Einzelform begrenztesquadratisches Gitter) und dem Beugungsmuster.Ein Beugungsobjekt, das aus einem mit einer Einzelform besetzten rechtwinkligem unddurch eine Einzelform begrenztem Gitter besteht, kann je nachdem, ob zuerst begrenztoder besetzt wird, durch zwei Blendenfunktionen f beschrieben werden:x yx yf(x, y) = [fE,F(x, y) ⋅comb( , )] ∗ fE(x, y) f(x, y) = [fE(x, y) ∗comb( , )] ⋅ fE,F(x, y)c dc dFür die Fourier-Transformierten F(x,y) erhält man aus den bisherigen Darstellungen durchAnwendung des Faltungssatzes bzw. der Umkehrung des Faltungssatzes:∞1 n mF(k ,k ) = F (k ,k ) ⋅ ⋅ ∑ F (k − ,k − )cd c dx y E x y E,F x yn,m=−∞∞n mF(k ,k ) = F (k ,k ) ∗ F ( , ) ⋅δ(ck −n,dk −m)∑x y E,F x y E x yn,m=−∞c dNach Abb. 54 ergibt sich das Beugungsmuster aus dem reziproken Gitter mit dem Beugungsmusterder begrenzenden Einzelform an den Gitterpunkten und einer Modulationdieses Beugungsmusters mit dem Beugungsmuster der besetzenden Einzelform. Da dieAbmessungen der begrenzenden Einzelform größer als die Abstände der Gitterpunkte

IV BEISPIELE für RCLs 131und diese größer als die Abmessungen der besetzenden Einzelform sind, sind die Abmessungendes Beugungsmusters der begrenzenden Einzelform kleiner als die Abständeder Gitterpunkte des reziproken Gitters und diese kleiner als die Abmessungen der Modulationmit dem Beugungsmuster der besetzenden Einzelform.IV.2.6 Vergleich von IntensitätsverteilungenIV.2.6.1 Analytisch berechnete und experimentelle IntensitätsverteilungMit dem Fourier-Integral (← IV.2.2) und Eigenschaften der Fourier-Transformation (← IV.2.5)sind in Tab. 30 Funktionen I(k x ,k y )/I 0 der Intensitätsverteilungen von Beugungsmusternzweidimensionaler Beugungsobjekte des RCLs hergeleitet:Nr.Experimentelle IntensitätsverteilungGeometrie desBeugungsobjektsAnalytisch berechnete IntensitätsverteilungBeugungsmuster Graph FunktionI(kx,k y)=I01⎡ 1 2 2 ⎤⎢J( 1a kx + ky)2⎥⎢1 ⎥⎢ a k 2 k 2x+ ⎥y⎢⎣2⎥⎦222 2⎡ a ⎤ ⎡ b ⎤⎢sin( kx) sin( ky)2⎥ ⎢2⎥⎢ ⎥ ⋅ ⎢ ⎥⎢ abk ⎥ ⎢xk ⎥y⎢⎣ 2 ⎥⎦ ⎢⎣ 2 ⎥⎦3cIE(k x,k y) ⋅ [(2cos( kx)+23c3c+ +2 22 2cos( ky)) sin ( ky)]42 2⎛ c ⎞ ⎛ d ⎞⎜sin(N kx) sin(M ky)2⎟ ⎜I 2⎟E(k x,k y)⋅⎜ ⎟ ⋅⎜ ⎟cd⎜ sin( kx) ⎟ ⎜ sin( ky)⎟⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠Tab. 30: Experimentelle und theoretische Darstellung der Intensitätsverteilung von Beugungsmustern(zu 1.: J 1 ist Besselfunktion 1. Ordnung).

IV BEISPIELE für RCLs 132Die Richtigkeit analytisch berechneter Intensitätsverteilungen kann auf drei Arten mit der experimentellenIntensitätsverteilung überprüft werden:• Vergleich von Funktion und BeugungsmusterEigenschaften der Funktion werden im Beugungsmuster erkannt: Die Funktion der Intensitätsverteilungeines Kreises und das Beugungsmuster weisen eine radiale Abhängigkeitauf (← IV.2.6.1, Tab. 30, Nr. 1), Funktionen und Beugungsmuster sind zur X- und Y-Achse symmetrisch (← IV.2.6.1, Tab. 30, Nr. 2, Nr. 3, Nr. 4) oder die Multiplikation zweierFunktionen für Intensitätsverteilungen in I(k x ,k y ) zeigt, dass die Gitterstruktur im Beugungsmustermit der Intensitätsverteilung I E der Einzelform moduliert wird (← IV.2.6.1,Tab. 30, Nr. 3, Nr. 4).• Vergleich von Graph und BeugungsmusterMit Computeralgebraprogrammen erstellte zweidimensionale Graphen von I(X,Y)/I 0 stimmenqualitativ mit dem Beugungsmuster überein (← IV.2.6.1, Tab. 30, Nr. 1, Nr. 2, Nr.3, Nr. 4).• Vergleich berechneter und gemessener Koordinaten von Maxima oder MinimaAus der Formel für die Intensitätsverteilung bestimmte Koordinaten von Maxima oder Minimastimmen im Rahmen der Messgenauigkeit mit denen des Beugungsmusters überein.Koordinaten von Maxima oder Minima können im Screenshot des Beugungsmusters miteinem kostenlosen Grafikprogramm das Koordinaten in Pixel anzeigt 139 gemessen werden.Einfacher ist die Verwendung eines Videoanalyseprogramm 140 mit dem wie in Abb.55 ein kalibriertes Koordinatensystem ins Webcambild gelegt und Messpunkte aufgenommenwerden können:Abb. 55: Bestimmung der X-Koordinaten der Minima imBeugungsmuster eines Kreises mit Durchmessera = 60 μm.139 Vgl. z. B. Paint in Betriebssystemen von Microsoft.140 Vgl. Universität Amsterdam, Centre for Microcomputer Applications, Coach 6 Studio MV.

IV BEISPIELE für RCLs 133Ordnung |n| 1 2 3 4 5 6 7|X exp | in mm 5,1 9,6 13,8 18,4 22,5 27,0 31,5X theo in mm 5,3 9,7 14,1 18,4 22,8 27,1 31,5Tab. 31: Vergleich von theoretisch und experimentell bestimmten X-Koordinaten derMinima im Beugungsmuster von Abb. 55.Theoretische Werte X theo in Tab. 31 wurden anhand der tabellierten Nullstellen der Besselfunktion1. Ordnung 141 und der Parameterwerte s = 49,5 cm, λ = 532 nm und a = 60μm ermittelt. Experimentelle Werte X exp stimmen im Rahmen der Messgenauigkeit von ± 1mm mit den theoretischen Werten X theo überein.IV.2.6.2 Numerisch berechnete und experimentelle IntensitätsverteilungIn Simulationen wird die zweidimensionale Fourier-Transformierte einer Blendenfunktion mitHilfe des FFT-Algorithmus numerisch berechnet. Unter den sechs im Internet gesichtetenSimulationen sind vier 142,143,144,145 nicht geeignet, weil die Streuung von Strahlung an Atomenund Kristallen simuliert wird, die Anzahl mit dem RCL übereinstimmender Blendenfunktionenzu klein ist oder die Nutzerfreundlichkeit zu gering ist. Eine weitere Simulation 146 erlaubt alseinzige die Fourier-Transformation von Bildern aus dem Internet, was voraussetzt dass Bilderder Beugungsobjekte in einheitlicher und hoher Qualität vorhanden sind. Darüber hinausist die Auflösung der Fourier-Transformierten zu gering und die Filterung von Bildern geht zuweit über den Inhalt des RCLs hinaus. Die beste in Abb. 56 dargestellte Simulation 147 hatfolgende Funktionen:141 Vgl. RCL-Portal, RCLs/Optische Fourier-Transformation/Theorie, Tab. 3.142 Vgl. S. Weber, Applet JFourier1.143 Vgl. S. Weber, Applet JFourier2.144 Vgl. S. Weber, Applet Jfourier3.145 Vgl. Universität Tübingen, Applet 2D Fourier transformation.146 Vgl. R. Fisher u. a., Applet Fourier Transform Experimentation.147 Vgl. École polytechnique fédérale de Lausanne, Applet Fourier transform.

IV BEISPIELE für RCLs 134Abb. 56: Fast-Fourier-Transformation (FFT) eines quadratischen mitKreisen besetzten Gitters, das mit einer Rechteckfunktion auf5 x 3 Kreise eingeschränkt wurde.• Zu transformierende Bilder können individuell erstellt, aus vorgegebenen Formen ausgewählt(Draw) oder Bilder von der Festplatte geladen (Advanced) werden. Mit individuellenoder vorgegebenen Formen besetzte recht- und schiefwinklige Gitter können erzeugtwerden (Cell parameters).• Bilder können auf einen in der Größe wählbaren rechteckigen oder elliptischen Ausschnitteingeschränkt werden (Mask).• Amplitudenquadrat, komplexe Amplitude, Realteil, Imaginärteil und Phase (Show) derFourier-Transformierten eines Bildes können numerisch angezeigt und graphisch dargestelltwerden.• Hin- und Rück-Transformation (Transform) eines Bildes können ausgeführt werden.Der Mehrwert der Simulation kann nicht in Konkurrenz, sondern nur in Bezug zum RCL beurteiltwerden. Zwischen den Inhalten der Simulation und dem RCL sollte eine hinreichendgroße Schnittmenge bestehen und im RCL nicht abbildbare Inhalte, sollten durch die Simulationsinnvoll ergänzt werden:• In der Einstellung Magnitude 2 (Show) kann qualitativ überprüft werden, ob gleiche Beugungsobjekteim Experiment und in der Simulation gleiche Intensitätsverteilungen erzeugen.Dies ist nicht immer möglich, weil in der Simulation bei manchen Beugungsobjektendie Bildauflösung der Intensitätsverteilung nicht ausreicht.• Mit frei erstellten Bildern können nicht nur Symmetrien des Amplitudenquadrats, sondernauch der Phase, des Real- und des Imaginärteil der Fourier-Transformierten untersuchtwerden.

IV BEISPIELE für RCLs 135• Die Rücktransformation des Betragsquadrats der Fourier-Transformierten (FFT-1) ergibtaufgrund der fehlenden Phaseninformation nicht mehr die ursprüngliche Blendenfunktion.• Die Phasendarstellung einer Fourier-Transformierten (Show Phase) zeigt in der Simulationim Gegensatz zur Amplitudenquadratdarstellung ein wesentlich komplexeres Bild mitPhasensprüngen.IV.2.6.3 Experimentelle IntensitätsverteilungenUmfang und Vielzahl der Beugungsobjektserien erlauben durch Vergleich der Strukturenzweidimensionaler Beugungsmuster ein rein exploratives, qualitatives Experimentieren auchohne umfassende theoretische Kenntnisse zur Fourier-Transformation. Unterstützend wirkt,dass Strukturen zweidimensionaler Beugungsmuster vermutlich schneller als die eindimensionalerBeugungsmuster erkannt werden. Anhand qualitativer Experimente können mit demRCL folgende Zusammenhänge und Strukturen erkannt werden:• Antiproportionaler Zusammenhang zwischen Abmessungen im Beugungsobjekt und imBeugungsmuster (← IV.2.5.1, ▪ Argumentskalierung).• Zusammenhänge zwischen der Symmetrie von Beugungsobjekt und Beugungsmuster (←IV.2.5.2, ▪ Symmetrie).• Erkennen der Struktur von Beugungsmustern periodischer Beugungsobjekte (← IV.2.5.3).• Die Anzahl der Nebenmaxima in Beugungsmustern von Beugungsobjekten der Gruppe"Kreise in durch Rechteck begrenzten quadratischen Gitter" beträgt in X-Richtung N - 2und in Y-Richtung M - 2 (← IV.2.6.1, Tab. 30, Nr. 4).Zur Begründung von Hypothesen und Darstellung von Zusammenhängen können einzelneScreenshots und Screenshotserien angefertigt werden. Ein selbsttätiges Zusammenstellenvon Beugungsobjektserien (→ IV.2.8, ▪ Zusammenstellung von Beugungsobjektserien) unterstütztein qualitatives Experimentieren mit dem RCL.IV.2.7 Konzeption des RCLsIm Folgenden wird das RCL Optische Fourier-Transformation anhand der Qualitätsmerkmaledes Qualitätskriteriums Konzeption (← III.1.5, Tab. 15) bewertet:• Zielgerichtetheit: Richtziel, Schulstufe/Studienabschnitt und LehrplanDas RCL ist exemplarisch dafür physikalische Vorgänge wie die Beugung von Licht anBeugungsobjekten mathematisch mit der Fourier-Transformation zu beschreiben und um-

IV BEISPIELE für RCLs 136gekehrt mathematische Eigenschaften der Fouriertransformation physikalisch zu visualisieren.Zielgruppe des RCLs sind Studierende im Grundstudium der Physik oder der Ingenieurwissenschaften.Die Fourier-Transformation ist kein Inhalt der Lehrpläne des Physik- oder Mathematikunterrichtsder Sekundarstufe II, weil die Mathematikkenntnisse der Schüler noch nicht ausreichendsind. Außerhalb des Lehrplans kann Schülern in einem Leistungskurs Physik dieStruktur von Beugungsmustern zweidimensionaler, periodischer Beugungsobjekte vermitteltwerden. Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften lernen die Fourier-Transformation in Vorlesungen des Grundstudiums oder in Praktika des Grund- undHauptstudiums kennen. Weiterhin werden im Hauptstudium an einigen Universitäten Vorlesungenzur Fourier-Optik 148 angeboten.• Experimente: Fachliche Richtigkeit, Mehrwert, Vernetzung und VollständigkeitDie Auswertungen von Beugungsmustern (← IV.2.5.1, ← IV.2.5.2, ← IV.2.5.3, ←IV.2.6.1) belegen die fachlich Richtigkeit des RCLs Optische Fourier-Transformation.Das RCL Optische Fourier-Transformation verfügt über Mehrwerte in den Bereichen experimentelleFeatures und Inhalt (← III.3.1, Tab. 22, RCL Optische Fourier-Transformation).Die einzelnen Experimente des RCLs Optische Fourier-Transformation sind über dasFourier-Integral miteinander vernetzt.Das RCL Optische Fourier-Transformation kann durch zusätzliche Beugungsobjekte weitervervollständigt werden (→ IV.2.8).IV.2.8 Optimierung des RCLsEine Optimierung des RCLs hat zum Ziel, dass Besucher Beugungsmuster länger beobachtenund besser die Inhalte des RCLs verstehen. Folgende Anpassungen der Beugungsobjektedes RCLs Optische Fourier-Transformation sind dazu sinnvoll:• Beugungsobjektserien mit größerem Variationsbereich der Abmessungen, einheitlich nichtüber 7 - 8 Beugungsobjekte in einer Serie und größere Abstände zwischen den Abmessungender Beugungsobjekte, um im Webcambild qualitative Veränderungen des Beugungsmustersbesser zu erkennen.• Speziell in der Gruppe "Kreise in durch Rechteck begrenztem quadratischen Gitter" (←IV.2.3.1, Tab. 29, Nr. 3) muss die Anzahl der Beugungsobjekte von 33 auf ungefähr 10 -15 reduziert werden, um die Motivation qualitative Veränderungen des Beugungsmusterszu beobachten nicht zu verlieren.148 Vgl. Technische Universität Illmenau, Vorlesung Fourieroptik.

IV BEISPIELE für RCLs 137• In der Gruppe "Kreise in durch Einzelformen begrenztem quadratischem Gitter" (←IV.2.3.1, Tab. 29, Nr. 4) sind Beugungsobjekte mit kleinerer begrenzender Einzelform desGitters notwendig, damit Beugungsmuster der begrenzenden Einzelformen im Beugungsmustergrößer und besser erkennbar sind (← IV.2.5.3, Abb. 54).• Zur Untersuchung der linearen Argumenttransformation (IV.2.5.1, ▪ Lineare Argumenttransformation)fehlen Beugungsobjektserien aus Rauten und Parallelogrammen mit variierbarenInnenwinkeln.• Es fehlen Beugungsobjekte mit zwei verschiedenen Einzelformen, um die Komplexität derentstehenden Beugungsmuster aufgrund des Interferenzterms zu zeigen (← IV.2.5.2,▪ Linearität).• Für Symmetriebetrachtungen (← IV.2.5.2, Abb. 52) fehlen Beugungsobjekte mit keineroder nur einer Symmetrieachse. Weiterhin fehlt eine Beugungsobjektserie mit einer umunterschiedliche Winkel gedrehten Einzelform.• Zur Fourier-Transformation eines Punktgitters in das reziproke Punktgitter ohne dass dieModulation mit dem Beugungsmuster der Einzelform dargestellt wird (← IV.2.5.3, Abb.53), fehlen Beugungsobjekte mit Quadraten von Kantenlänge kleiner als 5 μm an den Gitterpunkten(Quadrate können elektronenlithographisch präziser hergestellt werden alsKreise) und hoher Anzahl von Quadraten (für ausreichende Intensität des Beugungsmusters)und variablen Gitterpunktabständen c in x- und d in y-Richtung (bisher nur Spezialfallc = d).Die folgenden technischen Optimierungen erhöhen die Qualität der Beugungsmuster, dieQualität des Webcambildes, die Authentizität oder die Interaktivität des RCLs.• Positionierungsgenauigkeit der BeugungsobjekteBei diesem RCL reicht die Positionierungsgenauigkeit der beiden Scanner für Beugungsobjektenicht aus. Deshalb müssen die Scanner durch neue Positionierungseinheiten ersetztwerden (← III.3.3, ▪ Translatorische Positionierungseinheiten).• Steuerung der Lichtintensität der BeugungsmusterDie Lichtintensität der Hauptmaxima im Beugungsmuster ist proportional zu N 2 undschwankt bei Beugungsobjekten der Gruppe "Kreise in durch Rechteck begrenztem quadratischemGitter" (← IV.2.3.1, Tab. 29, Nr. 3) zwischen (1 x 1) 2 = 1 und (50 x 50) 2 =6250000. Keine einfache Webcam kann solche Intensitätsunterschiede verarbeiten. Bilderder Webcam sind je nach Einstellung des Webcam-Treibers entweder zu hell oder zudunkel. Deshalb muss zwischen Laserdiode und Beugungsobjekt ein vom Besucher steuerbaresGraufilterrad positioniert werden.• Qualität des SchirmsDer Schirm aus Transparentpapier hat keine optimalen Wiedergabeeigenschaften für dasBeugungsmuster, das Papier altert und Änderungen der Luftfeuchtigkeit können Wellen

IV BEISPIELE für RCLs 138im Transparentpapier und damit verzerrte Beugungsmuster zur Folge haben. Deshalbsollte das Transparentpapier durch Leinwandmaterial für die Rückprojektion von Videosmit Beamern ersetzt werden. Voraussichtlich kann das Leinwandmaterial kostengünstigbei einem Leinwandhersteller ohne den Kauf einer teuren Leinwand bezogen werden.• Webcambilder von Ausschnitten der BeugungsmusterBesonders bei Beugungsobjekten der Gruppe "Kreise in durch Einzelform begrenztemquadratischem Gitter" (← IV.2.3.1, Tab. 29, Nr. 4) müssen große Strukturen (Modulationdes Gitters mit Beugungsmuster der Einzelform) und genauso kleine Strukturen (Beugungsmusterder begrenzenden Einzelform an den Gitterpunkten) im Beugungsmustergut beobachtbar sein. Dazu muss der derzeit feste Abstand der Webcam vom Schirm miteiner Positionierungseinheit variierbar gestaltet werden oder eine Webcam mit Zoom eingesetztwerden (← III.3.3, ▪ Webcams).• Größe des Webcambildes der BeugungsmusterDas RCL Optische Fourier-Transformation lebt von der Ästhetik und Qualität der Beugungsmuster.Daher sollte die Größe des Webcambildes von 320 px x 240 px auf 640 pxx 480 px erhöht werden (← III.3.3, ▪ Webcams). Die Verschlechterung der Bildqualitätdurch Übertragung des Beugungsmusters vom Schirm des Experiments mit einerWebcam auf die Laborseite fällt damit weniger ins Gewicht.• Webcambild vom VersuchsaufbauBesucher können wegen der ungewohnten Qualität der Beugungsmuster und trotzt beobachtbarerÜbergänge zwischen Beugungsmustern beim Beugungsobjektwechsel dieBeugungsmuster für gespeicherte Bilder oder das RCL für eine Simulation halten. Es fehltzur Steigerung der Authentizität des RCLs ein Webcambild vom Versuchsaufbau in demdas Einschalten der Laserdiode sowie die Positionierung der Beugungsobjekte und desGraufilterrades beobachtet werden kann.• Zusammenstellung von BeugungsobjektserienDerzeit werden dem Besucher Beugungsobjekte in Gruppen und Beugungsobjektserienvorsortiert angeboten. Eine anspruchsvollere Variante ist, Besucher aus allen verfügbarenBeugungsobjekten z. B. bis zu 5 in einer bestimmten Reihenfolge auswählen zu lassen,um dann eine Beugungsmusterserie im Webcambild automatisiert dargestellt zu bekommen.Das Zusammenstellen der Serien setzt physikalische Kenntnisse bzw. das Erkennenvon Strukturen der Beugungsmuster voraus (Lernaspekt), die Serien sind für den Unterrichtund bei Vorträgen hilfreich (Präsentationsaspekt) und die Beugungsmuster werdendynamisiert (Medienaspekt).

IV BEISPIELE für RCLs 139IV.3 ZusammenfassungIm Folgenden werden die wesentlichen Punkte der RCLs Weltpendel und Optische Fourier-Transformation zusammenfassend dargestellt:• RCL WeltpendelDie Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung ist als globales Phänomen prädestiniertdafür mit einem RCL gemessen zu werden. An fünf Orten unterschiedlichen Breitengradskann mit dem RCL Weltpendel durch Fernmessung über das Internet die Erdbeschleunigungohne an die Orte reisen zu müssen bestimmt werden. Die Wahl fiel aufPendel als Erdbeschleunigungsmesser wegen der erforderlichen Genauigkeit von Δg =0,005 m/s 2 , der Eignung von Pendeln als Versuchskomponente in einem RCL und weil dieBestimmung der Erdbeschleunigung mit einem Fadenpendel ein Standardthema desPhysikunterrichts der Sekundarstufe II ist.Die Bestimmung der Erdbeschleunigung mit einem Fadenpendel als physischem Pendelund der Schwingungsdauerformel eines mathematischen Pendels hat immer einen systematischenFehler in der Bestimmung der Erdbeschleunigung zur Folge. Deshalb undweil das physische Pendel kein Thema der Sekundarstufe II ist, wurden die Pendel desRCLs Weltpendel so dimensioniert, dass eine Auswertung im physischen und mathematischenPendelmodell zum gleichen Wert der Erdbeschleunigung führt. Auswertungen vonMessungen an den Pendelstandorten zeigen dies in überzeugender Weise und auch dassdie Erdbeschleunigung an allen Pendelstandorten auf mindestens 0,0032 m/s 2 genau bestimmtwerden kann. Die experimentell bestimmten Werte der Erdbeschleunigung stimmenim Rahmen der Messgenauigkeit mit der um mindestens den Faktor 10 genauerenVorhersage nach der Welmec-Formel überein. Obwohl die Pendel nicht streng exponentiellgedämpft sind, wird bei einer Bestimmung der Erdbeschleunigung im realen Pendelmodelmit geschwindigkeitsproportionaler Reibung eine ausreichende Genauigkeit derErdbeschleunigung erzielt. Zu beachten ist, dass eine Vernachlässigung der Auftriebskrafteinen Fehler der Erdbeschleunigung von 0,0015 m/s 2 zur Folge hätte.Das RCL Weltpendel ist mit 5,7 Besuchen/Tag hinter dem RCL Millikan-Versuch das amhäufigsten besuchte RCL (← II.6.2, Abb. 17), wobei die Besuche der einzelnen Pendelstandortesummiert wurden. Da bisher mit dem Besucher-Tracking nicht festgestellt werdenkann, ob ein und derselbe Besucher an mehreren Pendelstandorten Messungendurchgeführt hat, kann nicht festgestellt werden wie oft die Breitengradabhängigkeit derErdbeschleunigung untersucht wurde.• RCL Optische Fourier-TransformationMit dem RCL Optische Fourier-Transformation werden in viel konsequenterer und umfassendererWeise als in derzeitigen Praktikumsversuchen Eigenschaften der Fourier-Transformation visualisiert und die Struktur von Beugungsmustern thematisiert. Anhandvon 156 Beugungsobjekte können Eigenschaften der Fourier-Transformation wie Argumentskalierung,lineare Argumenttransformation, Separabilität, Linearität, Symmetrie sowieder Faltungs- und Multiplikationssatz studiert werden. Die Qualität der elektronen-

IV BEISPIELE für RCLs 140strahllithographisch hergestellten Beugungsobjekte ist so hoch, dass trotz des Qualitätsverlustesbei der Bildübertragung kleinste räumliche Strukturen im Beugungsmuster beobachtetwerden können.Das RCL Optische Fourier-Transformation ist mit 0,9 Besuchen/Tag das am wenigstenbesuchte RCL (← II.6.2, Abb. 17). Gründe sind, dass das RCL bisher keine stabilen Beugungsmustergeliefert hat (← IV.2.8, ▪ Positionierungsgenauigkeit der Beugungsobjekte),die Nutzung von RCLs in Hochschulen noch nicht so verbreitet wie in Schulen ist und bisherein Tutorial als Lernumgebung zum RCL (→ VI.2.5) noch fehlt.Das RCL Optische Fourier-Transformation ordnet sich in eine Reihe aufeinander aufbauenderRCLs ein: Beugung und Interferenz II (eindimensionale Beugung am Gitter), OptischeFourier-Transformation (Eigenschaften der Fourier-Transformation und Strukturzweidimensionaler Beugungsmuster) und Optische Kristallographie (Modellexperiment zurKristallographie von Übergängen zwischen Ordnung und Unordnung in Kristallen). Zumnoch zu realisierenden RCL Optische Kristallographie (→ III.3.6, Tab. 27, RCL OptischeKristallographie) liegen Vorversuche 149,150 und eine Staatsexamensarbeit 151 bereits vor.149 Vgl. Gröber 2007c.150 Vgl. Gröber 2007d.151 Vgl. Thijs 2008.

V TECHNIK von RCLs 141V TECHNIK von RCLsDie Dokumentation der RCL-Technik in diesem Kapitel ist eine überarbeitete und ergänzteFassung eines ersten Tutorials 152 zur RCL-Technik im Jahr 2006. Gründe ein Tutorial zurRCL-Technik anzubieten sind:• Im Rahmen der RCL-Recherche konnte kein RCL-Anbieter gefunden werden, der in vergleichbarerForm Informationen zur gewählten RCL-Technik anbietet und das eigenetechnische Know-how offenlegt. Insbesondere konnten keine Zeitschriftenartikel mit konkreterenBeschreibungen der verwendeten RCL-Technik gefunden werden, weil vermutlichein zu kleiner Leserkreis angesprochen wird.• Am Selbstbau von RCLs interessierten Schülern, Studierende, Dozenten und Lehrkräftensoll das Tutorial einen Einstieg in die RCL-Technik bieten. Insbesondere soll Staatsexamenskandidatenin Physik, die ein RCL entwickeln wollen, die Einarbeitungszeit in dieTechnik der RCLs des RCL-Portals verkürzt werden. In mündlicher Form ist die Technikvon RCLs nicht vermittelbar.• Der Umfang an technischen Fähigkeiten (Programmierung in HTML/PHP und einer weiterenProgrammiersprache, Elektronikkenntnisse zu Mikrocontrollern, Sensoren und Aktoren)und Fertigkeiten (Bestückung der Platine des Interface, mechanischer Aufbau einesRCLs) zur Realisation eines RCLs ist groß. Zu wenige RCL-Interessierte verfügen über alleFähigkeiten und Fertigkeiten.Das Tutorial führt in die technische Konzeption der RCLs des RCL-Portals ein und die Wahlder RCL-Technik wird begründet (→ V.1). In zwei Schritten "Lokal gesteuertes RCL" (→ V.2)und "Ferngesteuertes RCL" (→ V.3) wird die Realisation eines RCLs am Beispiel des RCLsElektronenbeugung beschrieben.Der Anhang zu diesem Kapitel enthält Anleitungen zum Selbstbau des Interface (→ AnhangXI.1), einer Steuerung von Schrittmotoren (→ Anhang XI.2.2) und eines einfachen elektronischenRCLs (→ Anhang XI.6). Weiterhin enthält der Anhang Quellcodes zum RCL Elektronenbeugung(→ Anhang XI.3), Beschreibungen der Installation und Konfiguration von Entwicklungsumgebungenzur Programmierung des Mikrocontrollers (→ Anhang XI.4) sowieBeschreibungen der Installation und Konfiguration von Programmen des RCL-Servers (→Anhang XI.5).152 Vgl. Tutorial Selbstbau eines RCLs.

V TECHNIK von RCLs 142V.1 Technische KonzeptionV.1.1 EinführungAm Beispiel des RCLs Elektronenbeugung wird in die technische Konzeption der RCLs desRCL-Portals eingeführt. Abb. 57 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines RCLs aus RCL-Server,Interface und Experiment:Abb. 57: Aufbau eines RCLs am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung.Das Experiment Elektronenbeugung ist ein Standardversuch mit Hochspannungsnetzgerät 153und Elektronenbeugungsröhre 154 . Eine Webcam, Interface und RCL-Server erweitern denVersuch zum RCL. Die nummerierten Kabelverbindungen in Abb. 57 haben folgende Funktionen:Kommunikation zwischen RCL-Server und Interface über serielle Schnittstellen (1), 12V-Spannungsversorgung des Interface vom Steckernetzteil (2), geschaltete Netzspannungdes Hochspannungsnetzgeräts (3), Steuerung der Ausgangsspannung des Hochspannungsnetzgerätsbzw. der Beschleunigungsspannung über das Interface (4), Heizspannungfür Glühkathode der Elektronenkanone (5), Beschleunigungsspannung für die Elektronenkanone(6), USB-Anschluss der Webcam am RCL-Server (7) und Internetanschluss des RCL-Servers (8). Um ohne störendes Fremdlicht mit der Webcam das Beugungsmuster auf demSzintillationsschirm beobachten zu können, befindet sich das gesamte Experiment im Betriebunter einem Verdunklungskasten.Das RCL Elektronenbeugung kann auf dem RCL-Portal nach der Wahl des MenüpunktsRCLs aufgerufen werden. Die Wahl des Menüpunkts Labor aus der Standard-Lernumgebungruft die Laborseite des RCLs in Abb. 58 auf:153 Vgl. LD Didactic, Hochspannungsnetzgerät 10 kV.154 Vgl. LD Didactic, Elektronenbeugungsröhre.

V TECHNIK von RCLs 143Abb. 58: Laborseite des RCLs Elektronenbeugung in einem Webbrowser.Im Bedienfeld kann die Glühkathode der Elektronenkanone mit dem Button Elektronenröhreeinschalten eingeschaltet werden. Durch Eingabe von Werten zwischen 0 und 4,3 kV kanneine variable Beschleunigungsspannung an die Elektronenkanone angelegt, das auf demSzintillationsschirm entstehende Beugungsmuster im Webcamfeld beobachtet und mit demButton Screenshot das Webcambild auf dem Computer gespeichert werden.Die Realisation eines RCLs erfolgt in zwei Schritten. Als lokal gesteuertes RCL kann das Experimentohne Internetzugang vom RCL-Server aus gesteuert werden, als ferngesteuertesRCL kann mit dem RCL zusätzlich weltweit über das Internet experimentiert werden. Abb. 59zeigt dazu als Blockdiagramm die für alle RCLs einheitlichen Funktionsgruppen von RCL-Server, Interface und Experiment. Pfeile zwischen den Funktionsgruppen geben Kommunikations-oder Abhängigkeitsrichtungen an:Abb. 59: Funktionsgruppen von RCL-Server, Interface und Experiment eines RCLs.

V TECHNIK von RCLs 144• Lokal gesteuertes RCLDamit das Experiment fernbedienbar wird, muss der Versuchsaufbau mit Sensoren (z. B.für Temperatur), Aktoren (z. B. Schrittmotor) oder anderen gesteuerten Geräten (z. B.Hochspannungsnetzgerät in Abb. 57) ausgestattet werden. Das Interface besteht aus einerfür alle RCLs identischen Basisschaltung und aus RCL-spezifischen Erweiterungsschaltungen(→ V.2.1.2) für die Sensoren, Aktoren und gesteuerten Geräte.Wichtigster elektronischer Baustein der Basisschaltung ist ein mit einem externenSchwingquarz getakteter, programmierbarer Mikrocontroller (→ V.2.1.1) zur Steuerungdes Experiments. Für die Programmentwicklung wird eine Entwicklungsumgebung aufdem RCL-Server oder alternativ auf anderen Computern verwendet. Die Programmübertragungvom RCL-Server auf den Mikrocontroller erfolgt über einen USB-ISP-Programmerund die ISP-Schnittstelle des Mikrocontrollers (→ V.2.1.3). Danach werden die in Abb. 59gestrichelt dargestellten Funktionsgruppen und Verbindungen nicht weiter benötigt unddas RCL kann lokal über ein Terminal (→ V.2.2) bedient werden.• Ferngesteuertes RCLUm auf das RCL weltweit zugreifen zu können, wird auf dem RCL-Server ein Webserverinstalliert und ein Internetzugang benötigt (→ V.3.1). Befehle von der Laborseite wie z. B.Parametereingaben, werden von einem PHP-Programm interpretiert und über die RS232-Schnittstelle (alternativ über USB-Seriell-Adapter) des RCL-Servers an die RS232-Schnittstelle des Mikrocontrollers zur Ausführung an das Experiment übermittelt. In umgekehrterRichtung übermittelt das PHP-Programm bzw. der Mikrocontroller Zustände desExperiments oder Messergebnisse an die Laborseite (→ V.3.2.1). Zur Übertragung vonVideobildern einer oder mehrerer Webcams, die visuelle Rückmeldungen über den Zustanddes Experiments geben, wird ein Videoserver benötigt (→ V.3.2.2). Der RCL-Serverstellt Besuchern außer der dynamisch generierten Laborseite auch die statischen Webseitender Standard-Lernumgebung (← V.1.1, Abb. 57) des RCLs bereit (→ V.3.3).V.1.2Wahl der RCL-TechnikEs existiert eine nur schwer im Detail zu überblickende und zu beherrschende Vielzahl vonHard- und Softwaretechnologien (Interfaces und Programmiersprachen), um ein Experimentüber das Internet fernbedienbar zu machen. 155 Im Folgenden wird die Wahl der Technik vonRCLs des RCL-Portals begründet:• Interface155 Vgl. Gravier 2008, S. 21.

V TECHNIK von RCLs 145Zu Beginn des RCL-Projekts war es naheliegend auf vorhandene technische Lösungenzum Interface zurückzugreifen: Das RCL Elektronenbeugung wurde zunächst mit demPower-Cassy 156 und dem Sensor-Cassy 157 von Leybold zur Steuerung und Messung derBeschleunigungsspannung betrieben. Der heutige Preis für beide Komponenten zusammenliegt bei ungefähr 1700 €. Ein Datenaustausch zwischen dem RCL-Server und demSensor-Cassy wurde über das Common Gate Interface (CGI) realisiert.Bei den nicht mehr existierenden Versionen der RCLs Beugung und Interferenz undComputertomographie wurde das Intelligent Interface 158 von FischerTechnik eingesetzt:Für 130 € wurden 4 umpolbare, kurzschlussfeste digitale Ausgänge mit 0,25 A Dauerbelastbarkeitfür Gleichstrommotoren, Elektromagneten oder Lampen geboten. Digitale Sensorenwie z. B. Taster konnten an 8 digitale Eingänge angeschlossen werden. Für Potentiometer,Temperatur- oder Helligkeitssensoren mit variablem Widerstand als Ausgangsgrößewaren 2 analoge Eingänge mit Eingangswiderstand zwischen 0 und 5 kΩ undeiner Abtastrate von 50 Hz verfügbar. Programmiert werden konnte das Interface mit C++,Visual Basic oder als Einstieg in die Technik des Programmierens mit der graphisch orientiertenProgrammiersprache LLWin. Ein nutzerspezifisches im RAM des Interface gespeichertesProgramm ging ohne Spannungsversorgung verloren.Die Nachteile dieser Interfaces wie zu hohe Kosten, zu geringe Flexibilität beim Anschlussvon Sensoren und Aktoren - insbesondere von Schrittmotoren - und zu geringe Messratenwurden erst durch das programmierbare Eigenbau-Interface 159 (→ V.2.1) für ungefähr 50€ (→ Anhang XI.1.1) und eine modular gestaltete, an das jeweilige RCL anzupassende,PHP-Basisprogrammierung 160 (→ V.3.2.1) gelöst. Zur Programmierung des Interface wirdein USB-ISP-Programmer für ungefähr 30 € benötigt.• Software für RCL-Server, Mikrocontroller und Standard-LernumgebungTab. 32 enthält eine Übersicht der Programme für den RCL-Server und einem weiterenComputer. Die Links führen auf die Webseite zum Download des Programms und Preisesind angegeben. Auf Installation und Konfiguration von Programmen wird in den einzelnenAbschnitten des Tutorials eingegangen:156 Vgl. LD Didactic, Power-Cassy.157 Vgl. LD Didactic, Sensor-Cassy.158 Vgl. Fischertechnik, Intelligent Interface, nicht mehr lieferbare Art.-Nr. 30402 bei Knobloch GmbH.159 Entwicklung durch M. Vetter.160 Programmierung durch U. Schläpfer und P. Schmidt.

V TECHNIK von RCLs 146Typ Hersteller, Name und Version PreisRCL-ServerComputerBetriebssystem und TerminalWebserver und PHPVideoserver• Microsoft, Windows XP Professional mit Service Pack 3• Microsoft, Hyperterminal in Windows XP ProfessionalStart/Programme/Kommunikation/Hyperterminal• Apache Friends, XAMPP 1.7.4 für Windows, Installer-Version• The PHP Group, PHP 5.3.1 (enthalten in XAMPP 1.7.4)• Moonware Studios, webcamXP 5 Free (eine Videoquelle)• Moonware Studios, webcamXP 5 Private (bis zu 5 Videoquellen)unterRCL-Software • Technische Universität Kaiserslautern, RCL-Ordner htdocs -Virenscanner • Avira, AntiVir Personal -Fernwartung- undDesktop-Sharing≈ 20 €--44,95 €• TeamViewer GmbH, TeamViewer 6 Host -Webeditor • Notepad++ team, Notepad++ 5.9 -Entwicklungsumgebung fürMikrocontroller ATmega16WebeditorFernwartung- undDesktop-Sharing• ATMEL, AVR-Studio 4.18 -• Sourceforge, WinAVR -• MCS Electronics, BASCOM-AVR Demoversion (maximal 4 kB Programmcode)• MCS Electronics, BASCOM-AVR Vollversion-89 €• MikroElektronika, MikroPascal Pro for AVR ≈ 140 €• Notepad++ team, Notepad++ 5.9-• Adobe, Dreamweaver CS5.5 161≈ 115 €*• TeamViewer GmbH, Teamviewer 6 Vollversion -Tab. 32: Programme für den RCL-Server und weiteren Computer (Links führen aufWebseite zum Download, Stand Mai 2010).Für den RCL-Server wird als stabiles Betriebssystem Windows XP Professional eingesetzt.Microsoft vertreibt seit Dezember 2008 Windows XP nicht mehr, Sicherheitspatcheswerden noch bis April 2014 bereitgestellt, ein Bezug ist z. B. über Ebay 162 möglich. DasHyperterminal-Programm zur Kommunikation mit dem Interface ist Teil von Windows XPProfessional. Vom Open-Source-Paket XAMPP wird der Apache Webserver und derPHP-Interpreter eingesetzt. Da in der Regel bei RCLs zwei Webcambilder über das Internetübertragen werden müssen, ist der Videoserver webcamXP 5 nicht kostenlos. ImRCL-Ordner htdocs befindet sich die Basissoftware, die noch an das zu realisierende RCLanzupassen ist. Ein kostenloser Virenscanner wie z. B. Antivir Personal ist erfahrungsgemäßausreichend. Als Fernwartungssoftware für den RCL-Server wird Teamviewer empfohlen.Es genügt der Teamviewer Host, weil vom RCL-Server kein Remote-Zugriff aufden Computer erfolgen muss. Für kleinere Arbeiten an der RCL-Software oder der Standard-Lernumgebungwährend der Fernwartung sollte ein kostenloser Webeditor wie z. B.Notepad++ installiert werden.Auf einem weiteren Computer kann zur Programmierung des Mikrocontroller eine Entwicklungsumgebungfür folgende Programmiersprachen installiert werden: Mit dem AVR-Studio kann in Assembler und nach der Installation von WinAVR in C bzw. C++ programmiertwerden. Für Einsteiger wird eine Programmierung in Basic mit BASCOM-AVR emp-161 Vgl. Adobe, Dreamweaver CS5.5.162 Vgl. Ebay, Windows XP Professional.

V TECHNIK von RCLs 147fohlen. Falls der Programmcode größer als 4 kB ist, muss die Vollversion erworben werden.Eine Programmierung in Pascal ist für ungefähr 140 € mit dem Pascal-Compiler vonMikroElektronika möglich.Mit Notepad++ steht ein kostenloser und guter Webeditor zum Erweitern der PHP-Basissoftware und zum Erstellen von Webseiten der Standard-Lernumgebung bereit. Alsprofessionellerer Editor kann z. B. Dreamweaver verwendet werden. Für die Fernwartungdes RCL-Servers muss auf dem zugreifenden Computer die Vollversion von Teamviewerinstalliert werden.Die gewählte Hard- und Software für RCLs bietet folgende Vorteile:• Geringe Hard- und SoftwarekostenInterface mit Erweiterungsschaltungen (≈ 70 €), USB-ISP-Programmer (≈ 30 €), AVR-Studio zur Programmierung in C (0 €), Betriebssystem Windows XP Professional (≈ 20 €),webcamXP 5 für ein Webcambild (0 €) können zusammen für 120 € erworben werden. Miteinem nicht mehr benötigtem, älteren Computer, Tastatur und Maus (0 €), einem ausgedientemMonitor (0 €), einer einfachen USB-Webcam (≈ 20 €) und der Positionierungsmechanikeines nicht mehr benötigten, älteren Scanners (0 €) kann ein RCL schon ab 140 €realisiert werden.• Einfache Adaptierbarkeit des Interface und der PHP-Basissoftware an das ExperimentDer Mikrocontroller des Interface kann frei programmiert werden. Mit der Aufteilung derSchaltung des Interface in eine für alle RCLs gleiche Basisschaltung und RCL-spezifischeErweiterungsschaltungen (→ V.2.1.2) ist das Interface leicht an das Experiment anpassbar.Durch die im Mikrocontroller integrierten Peripheriebausteine genügen meist wenigeBauelemente und die unterschiedlichsten Mess- und Steuergrößen können verarbeitetwerden. Die PHP-Basissoftware braucht nur um wenige Programmblöcke erweitert zuwerden.• Einfacher Zugang zu Ressourcen der RCL-TechnikDie weite Verbreitung des Mikrocontrollers ATmega16 im Hobbybereich korrespondiertmit einem umfangreichen, kostenlosen Informationsmaterial zur Hardware und Softwaredes Mikrocontrollers im Internet. In Tab. 33 sind unter Mikrocontroller Links zu Datenblättern,Portalen und Foren mit praxisnahen Lösungen für Probleme der Mikrocontroller-Programmierung zusammengestellt. Ein stärker strukturiertes Erlernen der Funktionenund Programmierung von AVR-Mikrocontrollern ist über die genannten Tutorials im Internetund Bücher möglich.

V TECHNIK von RCLs 148SchrittmotorenElektronikHTML/PHPMikrocontrollerRessourceMikrocontrollermega16A, Mikrocontroller ATmega16ASummarywww.microcontroller.netRoboterNETZAVR-TutorialBASCOM-AVRmyAVRBASCOM-ForumRoboterNETZ-ForummyAVR-ForumAVR-ForumRoland Walter: AVR Mikrocontroller LehrbuchGünter Schmitt: Mikrocomputertechnik mitControllern der Atmel AVR-RISC-FamilieClaus Kühnel: Programmierung der AVRRISC Mikrocontroller mit BASCOM-AVRFrank Sichla: Schaltungssammlung Mikrocontrollerund USBSELFHTMLSELTPHPPHPKleines TutorialPHP-Handbuchreichelt elektronikConradELV ElektronikDatasheet Catalog.comDatasheet ArchivePegelwandler Max232 für serielle SchnittstelleSpannungsregler L7805Schrittmotormodul TMC222Minebea Hybrid Stepping MotorsTrinamic Stepper MotorsQuality MotorsNanotec Schrittmotor-AnimationNanotec GlossarErich Rummich: Elektrische Schrittmotorenund -antriebe- Funktionsprinzip- Betriebseigenschaften- MesstechnikKurzbeschreibungAusführliches und zusammenfassendes Datenblatt des MikrocontrollersATmega16Portal für MikrocontrollerPortal für Robotik, Mikrocontroller und ElektronikTutorial zur AVR-Familie auf microcontroller.netOnline-Hilfe zur Entwicklungsumgebung BASCOM-AVRMikrocontrollerlösungen für Ausbildung und SelbststudiumForum von MCS BASCOMForum von RoboterNETZForum von myAVRForum von AtmelBuch zur Programmierung von AVR-Mikrocontrollern mit BasicBuch zur Programmierung von AVR-Mikrocontrollern in Assemblerund CBuch zur Programmierung von AVR-Mikrocontrollern in BAS-COM-AVR (Basic)Buch mit praktischen Anwendungsschaltungen und Einsatzmöglichkeitenvon MikrocontrollernPortal zum Erstellen von Webseiten mit HTMLPortal zum Programmieren von Webseiten mit PHPEntwicklerseite von PHPPHP-TutorialPHP-HandbuchElektronikversandElektronikversandElektronikversandDatenbank für Datenblätter elektronischer BauelementeDatenbank für Datenblätter elektronischer BauelementeDatenblatt des ICs Max232 von Texas InstrumentsDatenblatt des ICs L7805 von STMicroelectronicsDatenblatt des ICs TMC222 von TrinamicDatenblätter von 12 Hybrid-SchrittmotorenDatenblätter und Bezugsquellen von 6 Hybrid-SchrittmotorenAuf TMC-Module und -ICs abgestimmte SchrittmotorenAnimation von unipolarem und bipolarem SchrittmotorGlossar mit Erklärungen zu wichtigen Begriffen aus der Schrittmotor-AntriebstechnikBuch zum Erwerb von Kenntnissen zum Aufbau und zur Funktionsweisevon SchrittmotorenTab. 33: Ressourcen zur Realisation eines RCLs.Die seit 1996 zunehmende Bedeutung der kostenlosen Skriptsprache PHP und dasWachstum des Internets korrespondieren mit einer Zunahme an kostenlosem Informationsmaterialzur PHP/HTML-Programmierung. Neben den unter PHP/HTML in Tab. 33genannten Ressourcen sind wegen des großen Marktes keine Bücher zu PHP genannt.Die teuren und schnell veraltenden Bücher sollten in Bibliotheken geliehen werden.Unter Elektronik sind in Tab. 33 Links zum Versandhandel elektronischer Bauelemente,zu Datenbanken mit Datenblättern elektronischer Bauelemente und zu Datenblättern der

V TECHNIK von RCLs 149wichtigsten ICs des Interface zu finden. Unter Schrittmotoren sind Links zu Schrittmotorenwichtiger Anbieter zusammengestellt, die über den Elektronikhandel leicht bezogen werdenkönnen. Das Buch von Erich Rummich erklärt Zusammenhänge zwischen Bauformund Funktionsweise von Schrittmotoren, die über Informationen zu Schrittmotoren im Tutorial(→ V.2.3.1) gegebenen Informationen hinausgehen.• Programmierung des Mikrocontrollers in BasicBesonders die Möglichkeit der Programmierung des Mikrocontrollers in der HochspracheBasic mit Bascom AVR (← V.1.2, Tab. 32) erleichtert den Einstieg in den Selbstbau vonRCLs. Darüber hinaus besteht analog zur PHP-Programmierung die Mikrocontroller-Programmierung aus einer an das jeweilige RCL lediglich anzupassende Basisprogrammierung(→ V.3.2.1).• BetriebssystemunabhängigkeitDas Interface kommt ohne betriebssystemspezische Treiber aus. PHP und HTML sind betriebssystemunabhängigeSprachen. Der Apache Webserver XAMPP ist außer fürWindows für die Betriebssysteme Linux, Mac OS X und Solaris 163 erhältlich.• Wartung von Programmierung und InterfaceÄnderungen der PHP/HTML-Programmierung können leicht über einen Fernzugriff aufden RCL-Server vorgenommen werden. Da der PHP/HTML-Quellcode im RCL-Betriebstets in einer lauffähigen Form vorliegt, führen Wechsel von Personen die Zugriff auf dieProgrammierung haben nicht zu Ausfällen des RCLs. Änderungen und Reparaturen anden Ergänzungsschaltungen des Interface können aufgrund des Lochrasteranteils derPlatine (→ Anhang XI.1.2) leicht durchgeführt werden.• Zerstörungssichere VersuchskomponentenVersuchskomponenten sind durch die Programmierung des Mikrocontrollers vor Fehlbedienungendes RCLs geschützt. Da der Mikrocontroller die Zulässigkeit von Parameterwertenüberwacht, ist kein Missbrauch des Experiments durch Dritte möglich. Abstürzedes RCL-Servers führen nicht zu undefinierten Zuständen des Experiments, weil der Mikrocontrollerdas Experiment steuert. In der Lebensdauer stärker begrenzte Versuchskomponentenwie z. B. die Elektronenbeugungsröhre beim RCL Elektronenbeugung (← V.1.1,Abb. 57) können durch eine programmierte Standby-Funktion des Mikrocontrollers beiNichtgebrauch ausgeschaltet werden.• Keine Installation von ZusatzsoftwareBesucher benötigen zum Experimentieren mit RCLs lediglich einen kostenlos verfügbarenWebbrowser wie z. B. die auf Funktionsfähigkeit für die RCLs getesteten Internet Explorer,Opera, Firefox, Safari oder Konquerer mit aktivierter Javaskript-Funktion. Es musskeine weitere Zusatzsoftware installiert werden.163 Apache friends, XAMPP.

V TECHNIK von RCLs 150Eine alternative technische Lösung für RCLs wäre LabVIEW (Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench) von National Instruments (NI) 164 gewesen. LabVIEW ist eine sehrumfangreiche, mittlerweile als Industriestandard geltende, grafische Programmierumgebungzum Messen, Steuern und Regeln von Systemen. Über umfangreiche Treiber-Bibliothekenlassen sich fast alle gängigen mit einer entsprechenden Schnittstelle ausgestatteten Gerätein LabVIEW einbinden. LabVIEW wurde als technische Lösung im RCL-Projekt aus mehrerenGründen nicht eingesetzt:• Besucher müssen einmalig vor dem Experimentieren mit RCLs die LabVIEW Run-TimeEngine 165 installieren.• Es existieren nur wenige Schulgeräte mit den erforderlichen Schnittstellen.• Die Kosten von ungefähr 1300 € für die Basisversion und ungefähr 2800 € für die Vollversionsind zu hoch.• LabVIEW ist für die zu entwickelnden RCLs bzw. die Zielgruppe aus Schülern und Studierendeüberdimensioniert. Der Nachbau von RCLs durch interessierte Schüler und Studierendewäre aus Kosten und Anforderungsgründen nur schwer möglich.• Trotz der graphischen Programmieroberfläche von LabVIEW müssen im Programmcodeimmer noch Anpassungen in der speziell für LabVIEW entwickelten ProgrammierspracheG vorgenommen werden.• Die Einarbeitung in LabVIEW ist vom Zeitaufwand und den Anforderungen her mindestensgenauso hoch wie die für Mikrocontroller- und PHP-Programmierung.• Eine mit fertigen LabVIEW-Elementen gestaltete Laborseite ist nicht unbedingt nutzerfreundlicherals eine mit PHP/HTML erstellte Laborseite (← III.2.1, Tab.18, Nutzerfreundlichkeit RCL Single and double Slit).V.2 Lokal gesteuertes RCLV.2.1 InterfaceV.2.1.1 MikrocontrollerZentrales Bauelement des Interface ist ein ATMEL AVR 8-bit RISC Mikrocontroller ATmega16.Dieser enthält im Vergleich zu einem Mikroprozessor außer dem Prozessor auch periphereModule wie z. B. Speicher, digitale und analoge Ein- und Ausgänge oder Timer für Zusatzfunktionen.Dadurch kommen Anwendungen von Mikrocontrollern wie z. B. RCLs meistmit wenigen zusätzlichen Bauelementen aus. Tab. 34 enthält eine Übersicht der wichtigstenFeatures des Mikrocontrollers zum Prozessor, zur Programmierung und Datenspeicherung,zu peripheren Modulen und erläutert einige Fachbegriffe:164 Vgl. National Instruments.165 Vgl. National Instruments, LabVIEW Run-Time Engine.

V TECHNIK von RCLs 151ProzessorProgrammierung und DatenspeicherungPeriphere ModuleFeatureATMEL AVR 8 bit RISC MikrocontrollerATmega16131 Befehle mit 1-2 Taktzyklen/BefehlVariabel wählbare Taktfrequenzenbis zu 16 MHzISP über SPI-Bus in 16 kBFlash-ROM Programm-Speicher512 B EEPROM1 kB internes SRAM32 programmierbare Ein- undAusgängeZwei 8-bit- und ein 16-bit-Timer mit Vorteilern und Vergleichs-ModusProgrammierbare USARTI2C InterfaceExterne und interne Interrupts4 PWM-Ausgänge8 10-bit ADCErläuterung• ATMEL: US-amerikanischer Hersteller von Mikrocontrollern• AVR: Familie von Mikrocontrollern• 8 bit: Breite des internen Datenbusses des Mikrocontrollers• RISC steht für Reduced Instruction Set Computer (Rechner mit reduziertem Befehlssatz):Designphilosophie von Mikrocontrollern mit Befehlssatz aus möglichst einfachenBefehlen und höherer Effizienz des Prozessors• ATmega: Eine der Mikrocontroller-Serien von ATMEL• 16 steht für 16 MHz: Maximale Taktfrequenz des Mikrocontrollers• Die ATmega-Serie besitzt unter den Mikrocontroller-Serien von ATMEL den größtenBefehlssatz. Die meisten Befehle benötigen zur Ausführung nur einen Taktzyklus.• Ein externer Schwingquarz legt die Schwingungsfrequenz einer Oszillatorschaltungund damit die Taktfrequenz des Mikrocontrollers fest.• ISP steht für In System Programming: Der Mikrocontroller kann ohne aus der Schaltungentfernt zu werden programmiert werden. Es wird kein teures Programmiergerät,sondern nur ein Programmieradapter benötigt.• SPI steht für Serial Peripheral Interface (Serielles Peripheres Interface): Nach demMaster-Slave-Prinzip arbeitender synchroner serieller Datenbus zur Kommunikationzwischen digitalen Schaltungen• Flash-ROM: Kann zur Speicherung des Programmcodes ca. 1000 neu beschrieben/gelöscht- geflashed - werden, aber beliebig oft gelesen werden. Daten bleibenauch ohne Versorgungsspannung erhalten• EEPROM steht für Electrically Erasable Programmable Read Only Memory(Elektrisch löschbarer und programmierbarer Nur-Lese-Speicher): NichtflüchtigerSpeicher, der beliebig oft gelesen und mindestens 100000 mal beschrieben werdenkann. Kann z. B. zum Speichern von Messwerten und Konfigurationsdaten verwendetund über ISP programmiert werden.• SRAM steht für Static Random Access Memory: Flüchtiger Speicher der beliebig oftgelesen und beschrieben werden kann. Wird z. B. zur Speicherung von Variablenund des Stacks verwendet.• Der Mikrocontroller ist 40-polig. Davon können 32 Pole entweder als Ein- oder Ausgangprogrammiert werden.• Die vom Quarzoszillator gesteuerten Timer erlauben z. B. präzise Zeitmessungenoder Interrupts bei bestimmten Zählerständen. Die maximalen Zählerstände sind bei8 bit 255 und bei 16 bit 1023. Vorteiler erlauben eine Verringerung der Zählrate.• USART steht für Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter: SerielleSchnittstelle, die zur Datenübertragung zwischen Mikrocontroller und Computerbenutzt wird.• I2C ist ein synchroner, serieller Zweidraht-Bus mit einer Daten- und einer Taktleitungzur Kommunikation zwischen ICs. Nach dem Master-Slave-Prinzip kann ein Masterbis zu 128 Slaves ansprechen. Die Übertragungsrate liegt im Standard-Mode bei 100kbit/s.• Interrupts unterbrechen das Hauptprogramm des Mikrocontrollers, um kurzfristigeund zeitkritische Verarbeitungen durchzuführen. Externe Interrupts werden durch amMikrocontroller angeschlossene Hardware gesteuert, interne Interrupts durch dieProgrammierung des Mikrocontrollers.• PWM steht für Pulse Width Modulation (Pulsweitenmodulation): Timer stellen an 4Ausgängen Rechteckimpulse der Dauer t und Unterbrechungsdauer T-t mit variablemTastverhältnis t/T zur Verfügung.• ADC steht für Analog to Digital Converter (A/D-Wandler): Integrierte Schaltung, dieanaloge Eingangsspannung U e in digitale Ausgangsspannung (Zahl) umwandelt.• 10-bit: Auflösungsvermögen des A/D-Wandlers. Kleinster auflösbarer Spannungsunterschiedist (U e,max - U e,min )/2 10 .Tab. 34: Features des Mikrocontrollers ATmega16.

V TECHNIK von RCLs 152V.2.1.2 Basisschaltung und ErweiterungsschaltungenAbb. 60 zeigt am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung die Platine des Interface mit denFunktionsgruppen 1 - 5 der Basisschaltung und den Funktionsgruppen 6 und 7 der Erweiterungsschaltungen(← V.1.1, Abb. 59):Abb. 60: Platine des Interface des RCLs Elektronenbeugung.Abb. 61 zeigt den dazugehörigen Schaltplan mit den Nummern der Funktionsgruppen unddie Pinbelegung des Mikrocontrollers ATmega16:Abb. 61: Schaltplan des Interface des RCLs Elektronenbeugung (links) und Pinbelegungdes Mikrocontrollers ATmega16 (rechts).

V TECHNIK von RCLs 153• BasisschaltungDie Spannungsversorgung (1) des Interface erfolgt über ein Universal-Steckernetzteil mitder Betriebsspannung U b = 12 V. Eine Diode SB140 schützt die Elektronik des Interfacevor falscher Polung der Spannungsversorgung. Der Spannungsregler L7805 wandelt dieBetriebsspannung am Hohlstecker in eine Gleichspannung von 5 V für die Spannungsversorgungder elektronischen Bauelemente des Interface um. Die Betriebsspannungkann im Interface kann auch direkt zur Ansteuerung von Relais oder zur Spannungsversorgungkleinerer Motoren verwendet werden. Bei Bedarf kann unter Beachtung der Kühlungdes L7805 das Interface mit höheren Betriebsspannungen z. B. für stärkere Schrittmotorenbetrieben werden.Die nicht hinreichend stabile und temperaturabhängige Frequenz des internen RC-Oszillators im Mikrocontroller (2) kann bei Verwendung der USART zu Problemen führen.Daher wird ein externer 11,0592 MHz Schwingquarz (3) eingesetzt. Der IC MAX232 istein Pegelwandler, der die 0V/+5 V-Signale der seriellen Schnittstelle (4) des Mikrocontrollersan die ±12 V-Signale der seriellen Schnittstelle des Computers anpasst. Über denISP-Stecker kann der Mikrocontroller programmiert werden (5). Das Interface in der Basisschaltungkann im Selbstbau angefertigt werden (→ Anhang XI.1).• ErweiterungsschaltungenNur die wenigsten Aktoren, Sensoren, gesteuerte Geräte und Bauelemente eines RCLslassen sich direkt vom Mikrocontroller ansteuern. Beim RCL Elektronenbeugung wird dieHeizspannung der Elektronenkanone mit einem Relais zum Schalten der Netzspannungdes Hochspannungsnetzgerätes ein- und ausgeschaltet (6). Liefert der Mikrocontroller amPort PA0 die Spannung 5 V (high), so wird die Kollektor-Emitter-Strecke des TransistorsBC 337 niederohmig, fast die gesamte Betriebsspannung U b = 12 V fällt über dem Relaisab und es fließt ein Strom durch das Relais. Die Diode 1N4001 schützt den Transistor vorInduktionsspannungsspitzen beim Ein- und Ausschalten induktiver Verbraucher wie z. B.Spulen, Relais oder Motoren.Am Steuereingang des Hochspannungsnetzgeräts kann durch Anlegen einer SteuerspannungU S zwischen 0 V und 5 V die Beschleunigungsspannung der Elektronenkanonezwischen 0 und 4,3 kV im belasteten Zustand bei eingeschalteter Glühkathode variiertwerden. Die analoge Steuerspannung U S erzeugt ein 8-bit Digital-Analog-WandlerPCF8591, der über den I2C-Bus des Mikrocontrollers (Ports PC0 und PC1) mit Binärcodeszwischen 0 und 255 angesteuert wird (7). Die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers liegt in 256 Stufen zwischen 3,70 mV und 4,97 V. Dieser Schaltung wurde derVorzug gegenüber der Erzeugung einer Steuerspannung mit Hilfe eines der Pulsweitenmodulationsausgängedes Mikrocontrollers gegeben, weil der Programmieraufwand geringerund die Steuerspannung keine Restwelligkeit aufweist.Eine Übersicht zu Erweiterungsschaltungen für Sensoren und Aktoren (→ Anhang XI.2.1)zeigt die Anpassungsfähigkeit des Interface an die unterschiedlichsten Experimente.

V TECHNIK von RCLs 154V.2.1.3 Programmierung des MikrocontrollersIm Folgenden wird die Programmstruktur des Mikrocontroller-Programms und die Übertragungdes Programmcodes in den Mikrocontroller beschrieben:• Programmstruktur 166Der Mikrocontroller ist mit einem Programm (Firmware) ausgestattet, um die Aufgabendes Interfaces abzuarbeiten. Hierzu zählen im Wesentlichen Programmteile zur Kommunikationmit dem RCL-Server und zur Steuerung des Experiments, da das Interface eineSchnittstelle zwischen Experiment und RCL-Server darstellt. Weitere Programmteile sindbeispielsweise zur Initialisierung des Versuchsaufbaus und der Steuerparameter sowiezur Konfiguration des Interfaces realisiert. Abb. 62 zeigt ein Flussdiagramm der Programmteilezur Kommunikation mit dem RCL-Server und zur Steuerung des Experiments:Abb. 62: Flussdiagramm der Programmierung des Mikrocontrollers.Der Programmteil zur Kommunikation mit dem RCL-Server besteht im Wesentlichen auseiner Schleife, die unablässig auf Steuerzeichen des RCL-Servers wartet, diese gegebenenfallsempfängt und auswertet. Soll mittels eines empfangenen Steuerzeichens derVersuchsaufbau angesteuert werden, wird vom Kommunikations-Programmteil eine entsprechendeAnweisung für den Steuerungs-Programmteil generiert. In der Schleife werdenauch Antworten wie z. B. Messergebnisse des Steuerungs-Programmteils entgegengenommenund an den RCL-Server ausgegeben.Der Kommunikations-Programmteil kann Kommandos mit und ohne Parameter entgegennehmenund verarbeiten. So lassen sich einfache Befehle wie Start und Stopp eines Motors,aber auch speziellere Anweisungen wie "Messe über den Bereich von a nach b mit166 Text von M. Vetter.

V TECHNIK von RCLs 155einer Schrittweite c" ausführen. Auch Messergebnisse oder Statusinformationen in Formeinzelner Daten wie Zahlen oder Listen können vom Kommunikations-Programmteil anden RCL-Server übertragen werden. Ferner übernimmt der Kommunikations-Programmteil auch den Austausch von Konfigurationsdaten für das Interface, beispielsweiseMotorparameter oder Zeitvorgaben für eine Standby-Funktion. Schließlich gibt derKommunikations-Programmteil auch Fehlermeldungen an den RCL-Server aus, etwa beieinem Fehlerzustand im Experiment oder bei fehlerhaften Anweisungen des Besuchersbzw. des RCL-Servers.Im Programmteil zur Steuerung des Experiments erfolgt die Ansteuerung von Aktoren unddas Auslesen von Sensoren mittels elektronischer Aus- und Eingänge (Ports) des Mikrocontrollers.Gegebenenfalls sind zwischen den Ports des Mikrocontrollers und dem ExperimentErweiterungsschaltungen erforderlich (← V.2.1.2, ▪ Erweiterungsschaltungen).Der Steuerungs-Programmteil ist als Interrupt-Routine implementiert. Interne Zeitgeberdes Mikrocontrollers rufen den Programmteil zyklisch z. B. alle 1 oder 10 Millisekundenauf, wobei die zuvor beschriebene Schleife des Kommunikations-Programmteils kurzzeitigfür die Abarbeitung des Steuerungs-Programmteils unterbrochen wird. Hierdurch wird dieSteuerung als Real-Time-Prozess 167 ausgeführt und es können insbesondere zeitkritischeSteueraufgaben mit einer Auflösung von ungefähr 1 - 10 ms zuverlässig erledigt werden.Ferner ist im Mikrocontroller und dem Programm ein sogenannter Watchdog installiert,der das Programm bei einem Programmabsturz automatisch neu startet. Der Watchdogals elektronische Baugruppe im Mikrocontroller führt einen Neustart des Mikrocontrollers(Reset) durch, sofern er nicht mehr über das Programm in vorgegebenen Zeitintervallenangesteuert wird.Je nach RCL gibt es noch weitere Interrupt-Routinen, die unabhängig vom Zeittakt desMikrocontrollers auf externe Ereignisse wie z. B. Ausgangsspannungsänderungen einesSensors reagieren. Damit kann besonders schnell auf Erfordernisse des Experiments reagiertoder es können Zeitmessungen mit einer Genauigkeit von ungefähr 10 -6 s durchgeführtwerden. Im Anhang (→ Anhang XI.3.1) ist der Pascal-Quellcode für den Mikrocontrollerdes RCLs Elektronenbeugung verfügbar.• ProgrammübertragungNach der Kompilierung des Assembler-, Basic-, C+-, C++- oder Pascal-Programms liegteine Hexadezimaldatei vor, die vom Computer in den Mikrocontroller übertragen werdenmuss (Flashen des Programms). Zur Programmübertragung muss das AVR-Studio installiertund konfiguriert sein (→ Anhang XI.4.1). Abb. 63 zeigt wie die Programmübertragungdurchgeführt wird:167 Real-Time bedeutet hier, dass die maximale Dauer eines Vorgangs vorhersehbar und gewährleistet ist, dass eine Steueraufgabenach einer vorhersehbaren Zeit abgeschlossen ist.

V TECHNIK von RCLs 156Abb. 63: Programmübertragung zwischen Computer und Mikrocontroller im Interfacedes RCLs Elektronenbeugung über USB-Seriell-Adapter und ISP-Programmer.Das Interface braucht nicht mit dem Experiment verbunden zu sein. Auch Erweiterungsschaltungeninnerhalb oder außerhalb des Interface müssen nicht mit dem Mikrocontrollerverbunden sein. Das Interface ermöglicht über die ISP-Schnittstelle die Programmierungmit einem preisgünstigen ISP-Programmer ohne ein teureres Experimentierboard 168 . ZurÜbertragung des Programms muss in folgenden Schritten vorgegangen werden:(1) Spannungsversorgung des Interface zur Sicherheit unterbrechen, weil beim Verbindenmehrpoliger Steckerverbindungen es zu Kurzschlüssen kommen kann.(2) 10-poligen ISP-Stecker des ISP-Programmers an die ISP-Schnittstelle des Interfaceanschließen.(3) ISP-Programmer an die serielle Schnittstelle oder über USB-Seriell-Adapter an dieUSB-Schnittstelle des Computers anschließen.(4) Spannungsversorgung des Interface wieder herstellen.(5) AVR-Studio unter Start/Programme aufrufen und nach Abb. 64 in der RegisterkarteProgram unter Flash die zu übertragende Hexadezimal-Datei z. B. Elektronenbeugung.hexauf der Festplatte auswählen und Program wählen.168 Vgl. ATMEL STK 500 Entwicklerkit bei Reichelt Elektronik.

V TECHNIK von RCLs 157Abb. 64: Übertragung der Hexadezimaldatei Elektronenbeugung.hexin den Mikrocontroller.(6) Spannungsversorgung des Interface unterbrechen, ISP-Programmer vom Interfacetrennen, AVR-Studio beenden und den ISP-Programmer vom Computer trennen.V.2.2 HyperterminalNach der Programmübertragung kann das Experiment über das konfigurierte Hyperterminal(→ Anhang XI.5.4) lokal gesteuert werden. Mit dem Hyperterminal können als Text eingegebeneBefehle über einen Com-Port des Computers an den Mikrocontroller gesendet odervon diesem empfangen werden. Der Computer muss wie bei der Programmübertragung mitdem Interface per Null-Modem-Kabel über die serielle Schnittstelle oder einen USB-Seriell-Adapter verbunden sein. Das Interface muss an die Versorgungsspannung anschlossen seinund braucht nicht mit dem Experiment verbunden zu sein. Abb. 65 zeigt nach Eingabe von ?und von param? im Hyperterminal die Befehlsliste des Mikrocontrollers für das RCL Elektronenbeugung:

V TECHNIK von RCLs 158Abb. 65: Befehlsliste des Mikrocontrollersim Hyperterminal für das RCLElektronenbeugung.Tab. 36 gibt Erläuterungen zur Befehlsliste:BefehlDA xOn/OffStandbysetSB xnext Standby inPower On DelaysetPOD xpower on enabled inErläuterung• Am Eingang des D/A-Wandlers wird die Zahl x (0 - 255) im Binärcodeangelegt und die Ausgangsspannung des Hochspannungsnetzgerätsbzw. die Beschleunigungsspannung der Elektronenkanone eingestellt• Hochspannungsnetzgerät und Glühkathode der Elektronenkanone einoderausschalten. Beim Einschalten wird die Steuerspannung des Interfaceam Hochspannungsnetzgerät auf ≈ 0 V einstellt• Ausgabe der eingestellten Standbyzeit von 300 s• Standbyzeit einstellen• Ausgabe der verbleibenden Standbyzeit (254 s) bis das Experimentausgeschaltet wird. Eine negative Standbyzeit gibt die Zeit seit dem Ablaufder Standbyzeit an• Ausgabe der Verzögerungszeit (2 s) bis das Hochspannungsnetzgerät/Elektronenbeugungsröhrenach Ablauf der Standbyzeit erneut eingeschaltetwerden kann• Verzögerungszeit einstellen• Ausgabe wie lange Hochspannungsnetzgerät nicht eingeschaltet werdenkann. Zeiten unter 0 bedeuten, dass Power-On-Delay-Zeit ablaufenistTab. 35: Erläuterung der Befehle in Abb. 65.V.2.3 Positionieren von ObjektenIn fast allen RCLs des RCL-Portals außer den RCLs Elektronenbeugung und Oszilloskopmüssen Objekte rotatorisch oder translatorisch positioniert werden. Eingesetzt werden Hybrid-Schrittmotorenals Aktoren, eine Schrittmotorsteuerung von Trinamic als Erweiterungsschaltung(TMC222-Modul), die Positionierungseinheit ausgedienter Flachbrett-Scanner undein Referenz-Taster als Sensor.

V TECHNIK von RCLs 159V.2.3.1 Hybrid-SchrittmotorenAbb. 66 zeigt den vereinfachten schematischen Aufbau eines zweiphasigen Schrittmotorsmit getrennten magnetischen Kreisen des Stators und einem permanent magnetisiertenzweipoligen Rotor (Polpaarzahl 1):Abb. 66: Funktionsprinzip von Schrittmotoren: Unipolare (links) und bipolare Schaltung (rechts)von Schrittmotoren 169 mit Bestromungstabellen für Voll- und Halbschrittbetrieb. Dargestelltist der Schritt 0.Der Rotor verfügt bei der dargestellten Polreihenfolge S-S-N-N des Stators über eine stabileStellung, bei einer hypothetischen Polreihenfolge N-S-N-S magnetischer Monopole gäbe esmit diesem Aufbau des Stators nur instabile Stellungen des Rotors. Um den Rotor in Bewegungzu setzen, muss die Polreihenfolge S-S-N-N im oder entgegen den Uhrzeigersinn(Rechts- oder Linksdrehung) weitergeschaltet und der Rotor vom magnetischen Schrittfeldmitgenommen werden.Die magnetische Polarität eines magnetischen Kreises lässt sich entweder durch zwei Spulenkonstanter elektrischer Polarität mit unterschiedlichem Wicklungssinn (herstellungstechnischzu aufwendig), durch eine Spule mit Mittelanzapfung und konstanter elektrischer Pola-169 Modifizierte Abbildung aus Traeger 2007, Abb. 3.13, S. 81.

V TECHNIK von RCLs 160rität der beiden Teilspulen (unipolare Schaltung) oder durch eine Spule mit wechselnderelektrischer Polarität (bipolare Schaltung) realisieren. In Abb. 66 sind für uni- und bipolareSchaltung die Bestromungstabellen für eine Rechtsdrehung des Rotors dargestellt. Für eineLinksdrehung des Rotors muss die Schrittfolge in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen werden.Es wird zwischen Vollschrittbetrieb (graue Zeilen der Tabellen in Abb. 66) mit Schrittwinkel90° bzw. Schrittzahl 4 und Halbschrittbetrieb (alle Zeilen der Tabellen in Abb. 66) mit Schrittwinkel45° bzw. Schrittzahl 8 unterschieden. Beim Vollschrittbetrieb werden immer beidemagnetische Kreise bestromt und die N-S-Polachse des Rotors nimmt nur Stellungen zwischenden Statorpolen an. Beim Halbschrittbetrieb wird zwischen den Vollschritten nur einerder magnetischen Kreise bestromt und die N-S-Polachse des Rotors kann zusätzlich 4 Stellungenin Richtung der Statorpole einnehmen. Der Hybrid-Schrittmotor ist die am häufigstenvertretene Bauform von Schrittmotoren. Abb. 67 zeigt den Aufbau eines Hybrid-Schrittmotors:Abb. 67: Aufbau eines Hybrid-Schrittmotors für unipolare undbipolare Schaltung. Daten: Schrittwinkel 1,8°, max.Drehmoment 15,5 Ncm.Der Stator besteht aus zwei Strängen mit je 4 in Reihe geschalteten Spulen. Der Wicklungssinnder Spulen ist in beiden Strängen so, dass sich die Polfolge N-S-N-S über denUmfang ergibt. Beide Stränge zusammen ergeben unabhängig von der Stromrichtung einePolfolge N-N-S-S-N-N-S-S über den Umfang. Ein zweipoliger Rotor (Polpaarzahl 1)kann im Vollschrittbetrieb 4 Stellungen annehmen. Der Rotor des Hybridschrittmotors bestehtaber aus axial magnetisierten Permanentmagneten, deren Polpaarzahl durch axialversetzte weichmagnetische Zahnscheiben auf 50 erhöht wurde. Dadurch erhöht sich dieSchrittzahl auf 4 ⋅ 50 = 200 und der Schrittwinkel verkleinert sich auf 360°/200 = 1,8°. Um

V TECHNIK von RCLs 161stabile Rotorstellungen zu erhalten, müssen die Statorsegmente ebenfalls gezahnt ausgeführtwerden.Ein solcher Hybrid-Schrittmotor vereint die Vorteile des Reluktanz- und des permanenterregtenSchrittmotors: Ein kleiner Schrittwinkel wird durch das von Reluktanzschrittmotorenbekannte Prinzip der Erzeugung einer Vielzahl von Polen des Rotors durch Zahnscheibenerzielt. Ein hohes Drehmoment wird durch das von permanenterregten Schrittmotoren bekanntePrinzip der Ausführung des Rotors als Permanentmagnet erzielt. Aufgrund der bifilarenWicklung besteht jede Statorwicklung aus zwei Teilspulen und der Schrittmotorkann in unipolarer (alle 6 Anschlüsse verwendet) und bipolarer Schaltung (nur 4 Anschlüsseverwendet, gemeinsamer Anschluss der Teilspulen bleibt unverwendet) wie inAbb. 67 dargestellt verwendet werden.Schrittmotoren erlauben nicht nur das Bewegen, sondern innerhalb der Leistungsgrenzen(keine Schrittverluste) auch ein genaues Positionieren von Objekten. Bei bekannterSchrittzahl auf einer gemessenen Strecke oder Schrittzahl für den Vollwinkel können ausgehendvon einer Referenzstellung Objekte translatorisch oder rotatorisch positioniertwerden.V.2.3.2 Schrittmotorsteuerung und PositionierungsmechanikIm Folgenden wird die bei allen RCLs mit Schrittmotoren eingesetzte Schrittmotorsteuerung,die Mechanik zur translatorischen Positionierung von Objekten und die Funktionsweise einesReferenztasters beschrieben:• SchrittmotorsteuerungAbb. 68 zeigt das Blockschaltbild und das im Selbstbau herstellbare TMC222-Modul (→Anhang XI.2.2.1, → Anhang XI.2.2.2) mit dem IC TMC222 von Trinamic zur Steuerung bipolarer2-phasiger Hybrid-Schrittmotoren:Abb. 68: Blockschaltbild (links) und Platine des TMC222-Moduls (rechts) mit IC TMC 222 aufder Lötseite der Platine.

V TECHNIK von RCLs 162Der IC TMC222 enthält ein I2C-Interface zum Anschluss an den I2C-Bus des Mikrocontrollers(Ports PC0 und PC1). Die 10 kΩ-Pull-up-Widerstände heben die Takt- (SCL,clock) und Datenleitung (SDA, data) auf ein Potential von 5 V. Der IC TMC222 enthält einenMotortreiber für Spulenströme bis zu 800 mA und einen Motor-Controller zur Steuerungder Spulenströme. Ein Vorteil des TMC-Moduls ist der relativ geringe Programmieraufwandfür den Mikrocontroller (→ Anhang XI.2.2.3), da der IC TMC222 nach Übergabeder Steuerungsparameter (Drehrichtung, Drehzahl, …) vom Mikrocontroller die Ansteuerungdes Schrittmotors übernimmt. Der IC TMC222 unterstützt das Beschleunigen undAbbremsen des Schrittmotors, enthält einen Schrittpositionszähler und unterstützt Mikrostepping(variable Spulenströme zur elektronischen Verkleinerung des Schrittwinkels undgrößerer Laufruhe).Falls in RCLs Gleichstrommotoren mit höheren Drehzahlen als Schrittmotoren benötigtwerden, kann eine andere Erweiterungsschaltung (→ Anhang XI.2.4) eingesetzt werden.• Positionierungsmechanik und Referenz-TasterDie Mechanik zur rotatorischen Positionierung von Objekten kann meist kostengünstigselbst oder durch Personal in einer Werkstatt angefertigt werden. Abb. 69 zeigt eine kostengünstigeLösung zur translatorischen Positionierung von Objekten:Abb. 69: Positionierungseinheit eines Flachbrett-Scanners. Schrittmotor (1), Getriebe (2), Linearführung(3), Antriebsriemen (4) und ergänzterReferenz-Taster (5).Falls der geometrische Aufbau und die geforderte Positionierungsgenauigkeit des RCLses zulassen, kann die Schrittmotor-Positionierungs-Einheit ausgedienter Flachbrett-Scanner zur translatorischen Positionierung von Objekten verwendet werden. In Einzelfällenwie dem RCL Weltpendel kann die Positionierungsmechanik auch selbst angefertigtwerden. Der Referenz-Taster in Abb. 69 wird eingesetzt, um abzufragen, ob ein vomSchrittmotor bewegtes Objekt die Position des Tasters erreicht hat und um diese Positionzu referenzieren. Ohne eine solche Referenzierung kann die Positionierung eines Objektslangfristig ungenau werden. So kann z. B. beim RCL Weltpendel das Auftreffen der Kugel

V TECHNIK von RCLs 163auf den Magneten zum Überspringen von Schrittmotorstellungen führen. Der Zustand desReferenz-Tasters in Abb. 70 wird z. B. über den Port PA0 des Mikrocontrollers abgefragt:Abb. 70: Referenz-Taster zum referenzieren derPosition des bewegten Objekts.Zu Problemen können undefinierte Zustände der Eingänge des Mikrocontrollers führen,wie sie beim Prellen, dem zeitlich begrenzten schwingen eines Tasters beim Öffnen oderSchließen entstehen. Abhilfe schafft ein passend dimensionierter, parallel zum Taster geschalteterKondensator: Bei geöffnetem Taster ist der Kondensator aufgeladen. BeimSchließen hält der Kondensator die Spannung über die Schwingphase trotz kurzzeitigwieder geöffnetem Schalter noch aufrecht. Analoges gilt für den Übergang vom geschlossenenzum geöffneten Taster.V.3 Ferngesteuertes RCLV.3.1 RCL-ServerFür den Betrieb eines RCLs wird ein RCL-Server benötigt (← V.1.1). Vorausgesetzt wird,dass bei einem neuen Computer alle notwendigen Treiber (Ethernet, Video, Audio, …) zumBetrieb der Hardware des Computers und Windows XP Professional mit Service Pack 3 installiertsind. Ein Benutzerkonto braucht nicht angelegt zu werden.Der RCL-Server benötigt einen Internetzugang mit statischer IP-Adresse und Uploaddatenratevon mindestens 200 kbit/s (DSL 2000) für die flüssige Wiedergabe von Bewegungen inWebcambildern. Die statische IP-Adresse wird von der Institution am Standort des RCLsvergeben oder kann von Privatpersonen bei einem Provider beantragt werden. Mit folgendenSchritten wird der RCL-Server eingerichtet:• Internetzugang einrichten (→ Anhang XI.5.1) und im Browser testen• Checken, ob die Windows Firewall aktiviert ist• Virenschutzproramm Avira Antivir Personal herunterladen (← V.1.2, Tab. 32), installierenund aktualisieren• Über Windows Update alle Updates von Windows XP Professional installieren

V TECHNIK von RCLs 164• Fernwartungssoftware TeamViewer 6 Host herunterladen und installieren (→ AnhangXI.5.5). Dabei ID und vergebenes Passwort notieren. Auf anderem Computer mit Internetzugangdie TeamViewer 6 Vollversion herunterladen (← V.1.2, Tab. 32), installieren undmit ID und Passwort den Zugriff auf den RCL-Server testen• Webeditor Notepad++ herunterladen, installieren und aktualisieren (← V.1.2, Tab. 32)• Videoserver WebcamXP 5 herunterladen und installieren (→ Anhang XI.5.3)• Paket XAMPP herunterladen und installieren (→ Anhang XI.5.2). Verknüpfungen mit denDateien ../xampp/htdocs/apache_start.bat und ../xampp/htdocs/apache_stop.bat auf demDesktop oder in der Schnellstartleiste erstellen und Webserver mit erstgenannter Verknüpfungstarten. Webserver durch Eingabe von 127.0.0.1 oder localhost ins Adressfelddes Browsers testen. Bei erfolgreichem Test werden die im Ordner ../xampp/htdocs abgelegtenWebseiten von XAMPP dargestellt. Statische IP-Adresse des RCL-Servers imBrowser eines anderen Computers mit Internetzugang eingegeben. Bei erfolgreichemTest werden die Webseiten von XAMPP dargestellt. In der Datei ../xampp/php/php.ini unterResource Limits die max_execution_time mit dem Windows-Editor von 60 auf 300 erhöhenund die Datei speichern, damit PHP bei Befehlen mit längerer Ausführungsdauerkeine Fehlermeldung liefert.• Ordner ../xampp/htdocs mit den Webseiten von XAMPP in ../xampp/htdocs_xampp umbenennenund für spätere Testzwecke nicht löschen. RCL-Ordner htdocs herunterladen(← V.1.2, Tab. 32), extrahieren und in das Verzeichnis ../xampp verschieben.Abb. 71 zeigt die Struktur des RCL-Ordners htdocs:Abb. 71: Struktur des RCL-Ordners htdocs. RCL-spezifisch anzupassende Dateien sind grauhinterlegt.Der geöffnete Ordner Labor enthält alle PHP- und HTML-Dateien bzw. Programmierungenfür die Funktionalität des Bedienfelds der Laborseite (← V.1.1, Abb. 58). An das RCL anzupassensind die portalsprachenunabhängigen Dateien config.php und experiment.php sowie

V TECHNIK von RCLs 165für jede Portalsprache die Dateien default.conf und experiment.tpl in den Ordnern eng, fra,ger und ita:• Datei config.php: Zeit bis zum automatischen Logout beim Experimentieren mit dem RCLeintragen• Datei experiment.php: PHP-Basisprogrammierung um die RCL-spezifische PHP-Programmierung erweitern (→ V.3.2.1)• Datei default.conf: Name des RCLs (z. B. Elektronenbeugung) in jeder Portalsprache eingetragen• Datei experiment.tpl: HTML-Basisprogrammierung um RCL-spezifische Ein- und Ausgabefeldererweitern (→ V.3.2.1)V.3.2 LaborseiteV.3.2.1 Steuerung des RCLs über das BedienfeldDas Bedienfeld der Laborseite (← V.1.1, Abb. 58) wird von der Datei experiment.tpl erzeugt.Befehle wie das Anklicken von Buttons, Eingaben und Auswahl aus Listen werden in einHTML-Formular mit Formularfeldern geschrieben. Die Daten werden von der PHP-Datei experiment.phpausgewertet und über die serielle Schnittstelle dem Mikrocontroller-Programmzur Steuerung des Experiments übergeben. Die Dateien experiment.tpl und experiment.phpwurden getrennt angelegt, um Code und Design zu trennen und nur die kleinere Datei experiment.tplan die Portalsprachen anpassen zu müssen.Tab. 36 enthält Ausschnitte der HTML-Datei experiment.tpl (→ Anhang XI.3.3), der Datei experiment.php(→ Anhang XI.3.2) und des Mikrocontroller-Programms (→ Anhang XI.3.1) fürdas RCL Elektronenbeugung:

V TECHNIK von RCLs 166Code mit Erläuterungexperiment.tpl18,21: Tag definiert ein Formular.18: Attribut "action" legt fest, dass Formulardaten in der Datei "index.php" verarbeitet werden. Übertragenwerden die Session-ID ($sid) und ($portal). "post" ist eine Übertragungsmethode zwischen Browser undWebserver.20: Erzeugt im Bedienfeld den Sendebutton ("submit") mit der Aufschrift "Elektronenröhre einschalten" ("value").19: Unsichtbares Feld ("hidden") mit Variablennamen "action" und Wert "RöhreAn". Der Variablenname "action"stimmt nur zufällig mit "action" in Zeile 18 überein.experiment.php37: Für den Fall, dass die Variable "$action" den Wert "RöhreAn" hat, wird die Funktion "power_on()" aufgerufen.59: Schreibt in die Logdatei "log.txt" den Text "RöhreAn".60,61: Öffnet den in der Datei config.php angegebenen Com-Port und gibt Fehlermeldung "Can not access filesystem" im Bedienfeld aus, falls der Com-Port sich nicht öffnen lässt. "w+" setzt den Dateizeiger auf denAnfang der "Datei".62: Sendet die Zeichenfolge "On" und "chr(13) ≡ Return" an den Mikrocontroller.63: Schließt serielle Schnittstelle.Quellcode Mikrocontroller166: Wird über die serielle Schnittstelle der Befehl "on" empfangen und sind Zeiten für PowerOnDelay undStandby abgelaufen, dann wird Elektronenbeugungsröhre eingeschalten167: Elektronenbeugungsröhre einschalten168: Der DA-Wandler PCF8591 wird unter seiner Adresse PCF8591 = 01001000 angesprochen. Parametereinstellungenmit 01000000 und Ausgangsspannung auf 0 V einstellen169: Setzt Standby auf vorgegebene Standbyzeit zurück171: Gibt Meldung aus, wie lange PowerOnDelay noch dauert.Tab. 36: Übertragung des Befehls "Elektronenröhre einschalten" vom Bedienfeld zum Experiment.Anhand der Erläuterungen der Programmcodes können die Abläufe zwischen dem Drückendes Buttons "Elektronenröhre einschalten" und dem Einschalten der Elektronenbeugungs-

V TECHNIK von RCLs 167röhre oder der Eingabe einer Beschleunigungsspannung und dem Anlegen einer Beschleunigungsspannungverfolgt werden. Über das Bedienfeld können nur die Befehle on und dader insgesamt implementierten Befehle (→ V.2.2, Abb. 65) aufgerufen werden.V.3.2.2 Videoübertragung im WebcamfeldZur Aufnahme von Livebildern des Experiments können USB-Webcams und IP-Kameras(Netzwerkkameras) eingesetzt werden. Bei USB-Webcams sollten bevorzugt von WindowsXP Professional per Plug & Play erkennbare eingesetzt werden. Teurere IP-Kameras müsseneingesetzt werden, wenn die Kamera wie z. B. beim RCL Roboter im Labyrinth zu weitvom Computer entfernt ist oder eine besonders lichtempfindliche Kamera aus der Überwachungstechnikwie z. B. beim RCL Millikan-Versuch benötigt wird. W-LAN-Kameras kommenzum Einsatz, wenn Bilder von einem beweglichen Objekt aus, wie z. B. beim RCL Roboterim Labyrinth, übertragen werden sollen.Das Videoserverprogramm webcamXP 5 erkennt beim Aufrufen automatisch an den RCL-Server angeschlossenen USB-Webcams. Vor dem Kauf einer IP-Kamera ist zu prüfen, obdas Modell unterstützt wird. 170 IP-Kameras müssen im Kontextmenü der Videoquelle konfiguriertwerden. Abb. 72 zeigt das Webcambild einer USB-Webcam vom Szintillationsschirm derElektronenbeugungsröhre:Abb. 72: Webcambild des Szintillationsschirms der Elektronenbeugungsröhreeiner USB-Webcam inwebcamXP 5 beim RCL Elektronenbeugung.170 Vgl. Moonware Studios, webcamXP, IP-cameras for webcamXP.

V TECHNIK von RCLs 168Zum Einbinden des Webcambilds in die Laborseite des RCLs wird die laborsprachenabhängigeDatei video.htm (→ Anhang XI.3.4) in den Ordnern eng, fra, ger und ita verwendet.Standardmäßig werden zwei Webcambilder und Screenshots unterstützt, der Code für weitereWebcambilder kann durch copy and paste hinzugefügt werden.Unter den Technologien Java, Javaskript, Flash und Windows Media für die Wiedergabe einesLivestreams auf eine Webseite wurde Javaskript gewählt, weil die anderen Technologiendie Installation des Java Runtime Environments (JRE), des Flash- oder Windows MediaPlayers durch den Besucher eines RCLs voraussetzen. Die Wiedergabe des Livestreams miteinem Java-Applet startet zudem erst verzögert nachdem das Applet geladen ist und verfügtüber eine zu geringe Wiedergabegeschwindigkeit.V.3.3 Standard-LernumgebungBestandteil der Entwicklung eines RCLs ist die Erstellung einer Standard-Lernumgebungzum RCL. Abb. 73 zeigt exemplarisch für die deutschen Webseiten im Ordner ger das Menü(← V.1.1, Abb. 58) und die Dateistruktur der Standard-Lernumgebung:Abb. 73: Deutschsprachiges Menü und Dateistruktur der Standard-Lernumgebung.RCL-spezifisch anzupassende Dateien sind grau hinterlegt.Die englischen Dateinamen introduction.htm, setup.htm, … im Ordner ger korrespondierenmit den deutschen Menüpunkten. Wird das RCL unter dem Menüpunkt RCLs des RCL-Portals aufgerufen, dann ruft die Frameset-Datei index.htm die Dateien menü.htm und introduction.htmauf und das Menü wird zusammen mit der Webseite Einstieg dargestellt. DieWahl weiterer Menüpunkte ruft jeweils die korrespondiere Datei im Ordner auf. Bei Wahl desMenüpunkts Labor werden mit der Frameset-Datei laboratory.htm die Dateien video.htm fürdas Webcamfeld und die Datei labor/index.php für das Bedienfeld aufgerufen.

V TECHNIK von RCLs 169Im Ordner ../docs/material werden alle Dokumente für die Webseite Material, im Ordner../docs/others die Dokumente anderer Webseiten abgelegt. Im Ordner ../docs/originals sinddie Originale von Dokumenten wie z. B. Word-Dateien und der verwendeten Bilder abgelegt.Grafikdateien der Webseiten Einstieg, …, Auswertung, …, Betreuung werden in gleichnamigenOrdnern wie z. B. ../images/analysis abgelegt. Bei sprachenunabhängigen Grafikdateienwird unter dem Dateinamen abbx.*, bei sprachenabhängigen unter dem Dateinamenabbx_lan.* mit lan = eng, fra, ger und ita gespeichert. Analoges gilt für die als gif-Grafikenforx.gif oder forx_lan.gif zu speichernden Formeln. Originale von Bildern werden im Ordner../images/originals abgelegt. Die Webseite zur Datei htdocs/index.htm enthält zum lokalenAufrufen der Standard-Lernumgebung Links zu den vier Index-Dateien in den Ordnern eng,fra, ger und ita. Die Stylesheet-Datei htdocs/rcl_style.css enthält die Styles der Webseiten.In der Regel werden Standard-Lernumgebungen der RCLs des RCL-Portals von verschiedenenPersonen erstellt. Fehlende Gestaltungs- und Formatierungsregeln führen zu einem uneinheitlichen,inattraktivem Erscheinungsbild des RCL-Portals. Tab. 37 gibt einen Überblickder wichtigsten Gestaltungs- und Formatierungsregeln:ElementGliederungLinksAbbildungTabellenFormelnGrößensymboleStylesRichtlinien• Die Webseiten Einstieg, Aufbau, Aufgaben, Diskussion, Material und Support enthalten vorgegebeneGliederungspunkte, teilweise mit ausgeführten Überschriften.• Die umfangreicheren Webseiten Theorie und Auswertung enthalten ein Inhaltsverzeichnis mit internenLinks zu Gliederungspunkten. Zwischen Punkten der ersten Gliederungsebene (1., 2., …) ist ein zweizeiligerAbstand (&nbsp;&nbsp;), zwischen Punkten der zweiten (1.1, 1.2, …) undPunkten der nur falls unbedingt notwendig dritten 1.1.1, 1.1.2, …) Gliederungsebene ein einzeiligerAbstand zu wählen. Nach Abbildungen und Tabellen folgt ein einzeiliger Abstand zum nachfolgendenText.• Keine internen Links zwischen den Webseiten der Lernumgebung.• Externe Links werden prinzipiell in einem neuen Browserfenster geöffnet (blank).• Alle Abbildungen erhalten fortlaufend beginnend mit 1 nummerierte Abbildungsunterschriften der FormAbb. x: … .• Abbildungen sind möglichst spachenunabhängig, d. h. ohne Texte in der Abbildung zu erstellen. ZurBeschriftung können z. B. Zahlen verwendet werden, die in der Abbildungsunterschrift oder im Text erläutertwerden.• Tabellen werden in jeder Webseite fortlaufend beginnend mit 1 nummeriert• Tabellen sind zu zentrieren, Rahmenstärke 1.• Formeln sind nicht als Textzeichen oder Grafik im laufenden Text einzufügen, sondern stets zentriert ineiner eigenen Zeile als gif-Grafik.• Zum Erstellen der Formel-Grafiken eignet sich z. B. der Formel-Editor MathType 171 mit der Auflösungs-Einstellung 120 dpi für Internet/Gif.• Formeln brauchen im Rahmen des begrenzten Umfangs der Webseiten nicht nummeriert zu werden.• Griechische Größensymbole und mathematische Symbole sind nicht als Grafiken im laufenden Text,sondern als HTML-Code einzufügen. Eine Zeichenreferenz findet sich bei Selfhtml. 172• Zur Formatierung der Webseiten werden aus der Stylesheet-Datei nur die drei Styles Überschrift fürdie Überschriften, Bildunterschrift für Abbildungs- und Tabellenunterschriften und Tabellentext für Textein Tabellen benötigt.Tab. 37: Richtlinien zur Gestaltung und Formatierung der Standard-Lernumgebung.171 Vgl. Design Science, MathType.172 Vgl. Selfhtml, HTML-Zeichreferenz.

V TECHNIK von RCLs 170Detailliertere Informationen zum Layout der Standard-Lernumgebung können dem RCL-Ordner und den Webseiten von RCLs in Browsern entnommen werden.V.4 ZusammenfassungDas Tutorial führt in die technische Konzeption der RCLs des RCL-Portals ein und die Wahlder RCL-Technik wird begründet. Vorteile der gewählten RCL-Technik sind das kostengünstige,flexibel in Hard- und Software an Experimente anpassbare Interface, der Einsatz vonOpen-Source-Software und die vielfältigen Ressourcen im Internet zur Elektronik und Programmierungdes verwendeten Mikrocontrollers sowie zur Programmierung in PHP/HTML.Am Beispiel des RCLs Elektronenbeugung werden in einem ersten Schritt "Lokal gesteuertesRCL" die Baugruppen des Interface beschrieben sowie in die Programmierung des Mikrocontrollersund in die Technik der Steuerung von Schrittmotoren eingeführt. In einem zweitenSchritt "Ferngesteuertes RCL" wird die Installation der Programme des RCL-Servers angeleitetsowie die Ordnerstruktur der RCL-Software zur Anpassung der Programmierung an einspezifisches RCL und der Erstellung einer Standard-Lernumgebung erläutert.Der umfangreiche Anhang enthält Anleitungen zum Selbstbau des Interface, einer Schrittmotorsteuerungund eines einfachen elektronischen RCLs. Weiterhin enthält der Anhang dieQuellcodes der Mikrocontroller- und PHP/HTML-Programmierung sowie Anleitungen zur Installationund Konfiguration zweier Entwicklungsumgebungen zur Programmierung des Mikrocontrollersund fast aller Programme des RCL-Servers.Die erste, erst nach dem Summercamp (→ VI.4.1) erstellte Version des Tutorials wurde nichtbei der Realisation von RCLs durch Staatsexamenskandidaten eingesetzt und nicht aufTauglichkeit als Selbstbauanleitung überprüft. Diese zweite, überarbeitete Version sollte vonStaatsexamenskandidaten zum Selbstbau von RCLs eingesetzt werden und durch Rückmeldungenzur Verständlichkeit und Unvollständigkeit fortlaufend verbessert werden.Schriftlich sind in einem Tutorial Fertigkeiten zur Realisierung des mechanischen Aufbausdes Experiments im RCL nicht vermittelbar. Im Hinblick auf eine hohe technische Stabilitätvon RCLs ist dieser Bereich für die Realisation eines RCLs von gleicher Bedeutung wie einefunktionierende Programmierung des Mikrocontrollers. Den Rahmen eines Tutorials zumSelbstbau von RCLs sprengen würden Inhalte zu Programmiersprachen bzw. Programmiertechniken.Generell tritt beim Selbstbau von RCLs das Problem auf, dass nur wenige Schüler,Studierende und Lehrkräfte über ausreichende Kenntnisse zur Mikrocontroller- und PHP-Programmierung verfügen. Lösungen für dieses Problem sind: Ein Mitarbeiter übernimmt wieim RCL-Projekt die Programmierarbeit. Durch langfristige Planung der Entwicklung einesRCLs kann vor und während des Selbstbaus eines RCLs die Programmierung erlernt werden.Die Mikrocontroller- und PHP-Programmierung wird mit Hilfe eines Tools so stark modularisiert,dass ein großer Anteil von RCLs ohne spezielle Programmierkenntnisse realisiertwerden kann.

VI DIDAKTIK mit RCLs 171VI DIDAKTIK mit RCLsIn diesem Kapitel werden aus medien-didaktischer Sicht Vor- und Nachteile von RCLs durchVergleich mit anderen Medien und mit Formen des Realexperiments herausgearbeitet (→VI.1). Medien und Materialien als Lernumgebungen zur Unterstützung eines eigenständigerenLernens mit RCLs werden vorgestellt (→ VI.2). Aus methodischer Sicht werden für denEinsatz von RCLs in der Sekundarstufe II Rahmenbedingungen genannt (→ VI.3.1) und einauf RCLs abgestimmtes Spektrum von Lehr-Lernformen vorgestellt (→ VI.3.2). Aus unterrichtspraktischerSicht wird exemplarisch der Einsatz des RCLs Weltpendel in einer Unterrichtseinheitzur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung beschrieben (→ VI.3.3).Abschließend werden Erfahrungen zum Selbstbau von RCLs durch Schüler (→ VI.4.1) undErgebnisse einer Befragung von Lehrkräften zum Selbstbau von RCLs präsentiert (→VI.4.2).VI.1 RCLs als Physikmedium und RealexperimentVI.1.1 Einordnung unter PhysikmedienMedien für die Lehre von Physik können eingeteilt werden in experimentelle Medien, die Datendurch Messungen am Realexperiment gewinnen und in theoriebasierte Medien, die Datenanhand bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten berechnen. Zur ersten Gruppe gehörenrein software-, videobasierte Medien wie Messvideo, Videoanalyse und interaktivesBildschirmexperiment (IBE) sowie hardwarebasierte, traditionelle Realexperimente undRCLs. Zur zweiten Gruppe gehören Simulationen und die nicht weiter betrachtete Modellbildungmit Modellbildungsprogrammen. Abb. 74 zeigt exemplarisch Beispiele für videobasierteMedien und RCLs:Messvideo zum Druck in strömenden Flüssigkeiten 173 Videoanalyse des Korbwurfs beim Basketball 174173 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Messvideo Druckverhältnisse einer strömenden realen Flüssigkeit unter LaminareStrömung.174 Bildungsserver Rheinland-Pfalz, Physik, Funktionsprinzip der Videoanalyse.

VI DIDAKTIK mit RCLs 172IBE zum Schalten eines RLC-Gliedes 175 RCL zum Fotoeffekt 176Abb. 74: Vergleich videobasierter Medien und RCLs.Messvideos und Videos für die Videoanalyse arbeiten mit linearem Video. Videos könnennur in der während der Produktion festgelegten zeitlichen Reihenfolge von Bildern wiedergegebenwerden. Bei IBEs werden in ihrer Reihenfolge nicht festgelegte Handlungsalternativenwie z. B. in Abb. 74 das Ein- und Ausschalten von Funktionsgenerator und Oszilloskop unddas Einstellen des Widerstandswerts angeboten. Im Bild des Versuchsaufbaus in Abb. 74werden mit der Maus an den entsprechenden Stellen alternative Bilder oder Bildsequenzenaufgerufen, die teilweise über Mausbewegungen zeitlich gesteuert werden können.Videobasierte Medien und RCLs unterscheiden sich in der Durchführung von Messungen: InMessvideos und IBEs sind Messungen am Realexperiment ganz oder teilweise bereits vomProduzenten durchgeführt, während bei der Videoanalyse und RCLs Messungen ausschließlichvom Nutzer durchführt werden. Die Videoanalyse ist abgesehen von der Auswertungeinzelner Bilder (← IV.2.6.1, Abb. 55) auf die Mechanik beschränkt. Mit einem Videoanalyseprogrammkönnen im Video Ortsmessungen mit Maßstab und Koordinatensystem sowieZeitmessungen anhand der bekannten Bildfrequenz des Videos durchgeführt werden.Traditionelle Realexperimente und RCLs unterscheiden sich in folgenden Punkten von videobasiertenMedien:• Zugriff mehrerer NutzerTraditionelle Realexperimenten und RCLs haben gegenüber videobasierten Medien denNachteil nicht von mehr als zwei Nutzern gleichzeitig genutzt werden zu können.• DatengewinnungBei traditionellen Realexperimenten und RCLs ist die Durchführung des gleichen Experimentsunter gleichen Bedingungen im Prinzip unendlich oft möglich, während im Videodie einmalige Durchführung eines Realexperiments konserviert ist. Technisch möglich,aber nicht praktikabel und deshalb auch nicht verfügbar sind einzelne Videos einer mehr-175 Vgl. FIPS Medienserver, Zugang nach Anmeldung, IBE Gedämpfte Schwingungen eines RLC-Gliedes.176 Vgl. RCL-Portal unter RCLs/Fotoeffekt/Labor.

VI DIDAKTIK mit RCLs 173maligen Durchführung des gleichen Realexperiments. Bei videobasierten Medien entfälltder Aspekt der Genauigkeit von Messungen als wichtiger Bestandteil experimenteller Erkenntnisgewinnung.Insbesondere Realexperimente z. B. zur Statistik des radioaktivenZerfalls oder der Millikan-Versuch mit vielen Messungen für ein aussagekräftiges Versuchsergebniskönnen mit videobasierten Medien nicht abgebildet werden.• Live-ExperimentTraditionelle Realexperimente und RCLs werden live und nicht zeitversetzt wie videokonservierteExperimente durchgeführt. Messdaten werden in Echtzeit gewonnen. Experimentein denen Größen über längere Zeiträume gemessen werden müssen wie z. B. beiWetterstationen können mit videobasierten Medien nicht abgebildet werden.• InteraktivitätTraditionelle Realexperimente und RCLs erlauben den wahlfreien Zugriff auf das Experiment.Experimentelle Aktivitäten (← III.1.6, Experimentelle Aktivitäten) können in einerwählbaren zeitlichen Reihenfolge durchgeführt und der Besucher kann ein eigenes Messprogrammzusammenstellen. Die experimentellen Aktivitäten von IBEs sind im Vergleichdazu gering: Überwiegend sind maximal 3 Größen steuer- oder messbar 177 , weil Anzahlund Umfang der Variation von Parametern durch den Produktionsaufwand, Kosten undDateigrößen begrenzt sind 178 . Moderne Videoanalyseprogramme bieten bei der Versuchsauswertungeine große Anzahl experimenteller Aktivitäten. 179,180 Die maximal erzielbareInteraktivität experimenteller Physikmedien bei der Versuchsdurchführung nimmt inder Reihenfolge Realexperiment, RCL, IBE, Videoanalyse und Messvideo ab.• AuthentizitätRCLs besitzen eine größere Authentizität zum traditionellen Realexperiment als IBEs, weilim Webcambild ein Videostream des Realexperiments und nicht nur ein statisches Bildmit steuerbaren dynamischen Anteilen wiedergegeben wird. Darüber hinaus erhält derNutzer im Bedienfeld einer nutzerfreundlichen Laborseite eines RCLs schnell einen Überblickder verfügbaren Interaktionen mit dem Experiment, während in vielen IBEs aktiveBedienelemente mit der Maus im Bild gesucht werden müssen. Der geringe Anteil bedienbarerElemente in den fotorealistischen Darstellung von Geräten der IBEs (← V.1.1,Abb. 74) kann für Schüler der Sekundarstufe I sinnvoll, für Schüler der Sekundarstufe IIund Studierende enttäuschend sein.177 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, FIPS Medienserver, IBEs.178 Vgl. Roth 2001, S. 88.179 Vgl. Phywe, Measure Dynamics.180 Vgl. Universität Amsterdam, Centre for Microcomputer Applications, Coach 6 Studio MV.

VI DIDAKTIK mit RCLs 174VI.1.2 Einordnung unter RealexperimentenBei Realexperimenten können traditionelle Realexperimente wie Lehrer-Demonstrationsexperiment, Schülerexperiment, Freihandversuch und Hausexperiment undRCLs unterschieden werden. Diese Formen sind in Abb. 75 nach dem Experimentator undnach der Verwendung innerhalb oder außerhalb des Unterrichts geordnet:Abb. 75: Einteilung von Formen des Realexperiments nach dem Experimentatorund der Verwendung innerhalb oder außerhalb des Unterrichts.RCLs können von der Lehrkraft als Experimentator zu Lehrzwecken innerhalb des Unterrichtsverwenden werden und Schüler können innerhalb und außerhalb des Unterrichts mitRCLs experimentieren. In Klammern angegeben Formen werden aus folgenden Gründenseltener als andere Formen eingesetzt und haben nur eine untergeordnete Bedeutung:• Unter den traditionellen Realexperimenten ist das Demonstrationsexperiment für dieLehrkraft die wichtigste Form zur Durchführung quantitativer Experimente. Lehrkräfte setzenergänzend im Unterricht Schülerexperimente und qualitative Freihandexperimenteein. Hausexperimente als qualitative Experimente werden wegen des Aufwands der Materialorganisationfür alle Schüler einer Gruppe vernachlässigbar selten eingesetzt und nichtweiter betrachtet.• Das Experimentieren von Schülern mit RCLs außerhalb des Unterrichts ist die bedeutendsteForm des Einsatzes von RCLs, weil Schüler eigenständig quantitative Lehrer-Demonstrationsexperimente durchführen können. Im Vergleich dazu ist der Einsatz vonRCLs durch die Lehrkraft im Unterricht von geringerer Bedeutung, weil Lehrer-Demonstrationsexperimente authentischer sind.• Das Experimentieren von Schülern mit RCLs innerhalb des Unterrichts ist von vernachlässigenderBedeutung gegenüber dem Experimentieren mit RCLs außerhalb des Unterrichts,weil in eine Einzel- oder Doppelstunde nur wenige Schüler mit dem gleichen RCLexperimentieren könnten und der Organisationsaufwand für den Unterricht zu hoch ist.In Tab. 38 werden die bedeutsamsten vier Formen des Realexperiments, zwei mit der Lehrkraft(L) und zwei mit Schülern (S) als Experimentator anhand von Fragen einander gegenübergestellt:

VI DIDAKTIK mit RCLs 175Demonstrationsexperiment(L)Freihandexperiment(L)Schülerexperiment(S)Schüler bestimmt Experimentierort? Nein Nein Nein JaSchüler bestimmt Experimentierzeitpunkt? Nein Nein Nein JaSchüler bestimmt Experimentierdauer? Nein Nein Nein JaMaterieller Aufwand für Experiment? Mittel Gering Hoch KeinerSchutz gegen Zerstörung von Komponenten? Nein Nein Nein JaVorbereitungsaufwand für Lehrkraft? Gering - Hoch Gering Hoch KeinerDirekte Interaktion zwischen Schüler und Experiment? Nein Nein Ja JaPlanung der Versuchsdurchführung durch Schüler? Nein Nein Ja JaDurchführung qualitativer Versuche? Ja Ja Ja JaDurchführung quantitativer Messungen? Ja Nein Ja JaKombination von Experiment und Theorie? Leicht Schwer Mittel LeichtMaterielle und technische Voraussetzungen? Hoch Gering Hoch GeringParalleles Experimentieren mehrerer Schüler? Nein Nein Ja NeinPersonelle Betreuung der Schüler beim Experimentieren? Ja Ja Ja NeinVariabilität des Versuchsaufbaus? Mittel Gering Mittel NeinAufbau des Experiments durch Schüler? Nein Nein Ja NeinZeitaufwand zur Versuchsdurchführung? Gering - Hoch Gering Hoch MittelNähe zum Experiment in der Forschung? Nein Nein Nein NeinTechnischer Support bei Defekt von Komponenten? Ja - Ja JaTab. 38: Vergleich von Formen des Realexperiments.RCL(S)Antworten der Fragen sind als typisierende und damit vereinfachende Einschätzungen zuverstehen, die einen Vergleich von RCLs gegenüber den drei anderen Formen des Realexperimentsermöglichen: Absolute Vorteile und Nachteile von RCLs gegenüber den anderenFormen sind in grün und rot, gemeinsamen Vorteile von RCLs und anderen Formen des Realexperimentsin blau markiert.VI.1.3 Vor- und Nachteile von RCLsDie genannten Vorteile von RCLs (← VI.1.2, Tab. 38) haben folgende Konsequenzen für dasLernen von Physik:• Zeit zum ExperimentierenExperimentierdauern von über einer Stunde und die Anzahl durchgeführter Aktionen mitRCLs, die wenige experimentelle Aktivitäten zulassen (← III.2.2, Tab. 19), zeigt die Bedeutungeines zeitunabhängigen Experimentierens mit RCLs. Beim Demonstrationsexperimentin Schule und Hochschule ist die Experimentierdauer durch Lehrzeiten und diePlanung der Lehrenden begrenzt. In der Regel diktiert der Lehrende für alle Lernendengemeinsam den Zeittakt des inhaltlichen Voranschreitens im Experiment. ErfahrenerenLehrkräften gelingt es in der Schule anhand der Rückmeldungen von Schülern Phasendes Experimentierens zum besseren Verständnis der Inhalte zeitlich und inhaltlich richtig

VI DIDAKTIK mit RCLs 176zu gewichten. Trotzdem fehlt die Zeit für viele experimentiertypische Tätigkeiten und Verarbeitungsprozesse,wie sie mit RCLs potentiell möglich sind: Spielerisch das Experimentkennen lernen, Strukturen erkennen, das Experimentieren für theoretische Betrachtungenoder zur Informationsbeschaffung oder für Auswertungen zu unterbrechen, von quantitativenMessung zu qualitativen Beobachtungen zurückzukehren oder Messungen mehrfachzu wiederholen.• Wahl der Sozial- und Kommunikationsform beim ExperimentierenDie Durchführung von Demonstrationsexperimenten an der Hochschule ist gezwungenermaßenaufgrund der Anzahl Studierender ein kommentierendes Experimentierenohne Rückmeldung der Studierenden. Die Durchführung von Lehrer-Demonstrationsexperimentenin der Schule ist ein gemeinsames Experimentieren der Lehrkraft vor undmit der Gruppe, bei denen in der Regel nur schnellere, die 1:n-Kommunikation dominierendeDenker zum Zuge kommen. Schülerexperimente werden zwar in Kleingruppen,aber dennoch im Kursverband durchgeführt. Die erhofften sozialen Effekte bleiben häufigaus und das Bedürfnis mancher Schüler in Ruhe und alleine zu experimentieren bleibtunbeachtet.Fast alle deutschen Haushalte sind mit Internetanschluss und Computer ausgestattet, inimmer mehr Schulen und Universitäten ist W-LAN flächendeckend verfügbar und Lernendeverfügen zunehmend über eigene, immer kostengünstigere Notebooks. Dies erlaubtein ortsunabhängiges Experimentieren der Lehrenden mit RCLs außerhalb von Lehrzeitenzuhause oder in Schule und Hochschule sowie die Wahl der Sozial- und Kommunikationsformbeim Experimentieren.Den genannten Nachteilen von RCLs (← VI.1.2, Tab. 38) kann durch folgende Maßnahmenbegegnet werden:• Experimentieren aller Schüler mit dem gleichen RCLPrinzipiell ist die Durchführung einer experimentellen Hausaufgabe von einer Unterrichtsstundezur nächste von allen Schülern einer Gruppe mit einem Buchungssystem (→VIII.2) möglich. Diese Organisationsform des Experimentierens aller auf gleicher Frontwird in der Sekundarstufe II nur selten bei Schülerexperimenten durchgeführt.• Betreuung beim Experimentieren mit RCLsEiner fehlenden fachlichen und sozialen Betreuung insbesondere von Schülern währenddes Experimentierens mit RCLs außerhalb des Unterrichts, kann in verschiedener Weiseentgegengewirkt werden: Das Experimentieren muss im Unterricht methodisch gut vorbereitetwerden (→ VI.3.2, Tab. 44), Schüler müssen ausreichend Zeit erhalten experimentelleErgebnisse in den Unterricht einzubringen, experimentelle Ergebnisse müssen vonder Lehrkraft als Lernergebnis geschätzt werden und experimentelle Hausaufgaben mitRCLs müssen häufiger in Kleingruppen durchgeführt werden (→ VI.3.1, ▪ Experimentierenmit RCLs in Kleingruppen).

VI DIDAKTIK mit RCLs 177• Variabilität des RCLsRCLs müssen im Rahmen des Themas so viele und gut gewählte experimentelle Aktivitätenanbieten, dass Lernende alle relevanten Experimente des Themas durchführen könnenund nie der Eindruck eingegrenzter experimenteller Möglichkeiten entsteht.Tab. 39 fasst alle diskutierten Nachteile von RCLs in den Bereichen Entwicklung von RCLs,RCLs als Physikmedium, RCLs als Realexperiment und Einsatz von RCLs in Form von Behauptungeneines RCL-Kritikers und Stellungnahmen eines RCL-Befürworters unter Einbeziehungfrüherer Ergebnisse zusammen:Entwicklung von RCLsRCLs alsPhysikmediumRCLs als RealexperimentBehauptungen einesRCL-KritikersRCLs sind in der Entwicklungzu aufwendig und zuteuer.Auflösung, Größe und Bildratedes Webcambilds vonRCLs sind so gering, dassdie Authentizität zum Realexperimentunzureichendist und schnellere Bewegungennicht beobachtetwerden können.RCLs sind durch interaktiveBildschirmexperimente ersetzbar,weil diese auch mitMessdaten arbeiten.RCLs können leicht durchvielfältige Simulationen ersetztwerden.Das Experimentieren mitRCLs besteht eigentlich nuraus dem Anklicken von Buttons.RCLs sind nur für quantitativeVersuche geeignet.Die Planung des Experiments,der Ausschluss ungewollterEffekte und derhandwerkliche Aufbau steckenbereits im RCL.RCLs sind im Vergleichzum Demonstrations- undStellungnahmen einesRCL-Befürworters• Die Entwicklungsdauer und Kosten von RCLs können durch Standardisierung desEntwicklungsprozesses und der Technik minimiert werden (← III.3.3).• RCLs sind gegenüber einem vergleichbaren traditionellen Realexperiment maximalungefähr 1,5-mal so teuer (← III.3.4). Ein realistischer Kostenvergleich muss die Kosten/Nutzerbetrachten: Ein traditionelles Realexperiment wie z. B. die Elektronenbeugungwird an einer Schule maximal 5-mal im Jahr in Kursen mit ungefähr 20 Schülerneingesetzt: 3089 €/(5·20) ≈ 20 €/Schüler. Das RCL Elektronenbeugung hatte in 2010ungefähr 2500 Besuche: ≈ 5000 €/2500 Besucher = 2 €/Besucher. Die Kosten/Nutzersind um den Faktor 10 geringer.• RCLs, die wie z. B. das RCL Radioaktivität mehrere Teilversuche umfassen, sind inder Regel kostengünstiger als die Summe einzelner Versuche traditioneller Realexperimente.• Der Entwicklungsaufwand softwarebasierter Medien wird unterschätzt. Z. B. muss beiIBEs der Versuch vorhanden sein oder zunächst entwickelt und realisiert werden, dieProduktion des Videos ist zeitaufwendig und IBEs sind teilweise nur kostenpflichtig erhältlich.• Die derzeitige Qualität des Webcambildes reicht für die Durchführung der RCLs aus,ist aber zu gering. Optimierungen (← III.3.3, ▪ Webcams) sind besonders bei denRCLs in denen Bilder ausgewertet werden (z. B. RCLs Beugung und Interferenz,Elektronenbeugung, Optische Fourier-Transformation) oder Bewegungen verfolgtwerden (z. B. RCL Weltpendel) wünschenswert.• Schnellere, kostengünstigere Internetverbindungen und die voranschreitende Entwicklungder digitalen Videotechnik werden zur Lösung des Problems führen.• IBEs erlauben z. B. nicht die Generierung einer hinreichend großen Menge an Messdaten,wie es in vielen Versuchen für glaubwürdige experimentelle Ergebnisse essentiellist (← VI.1.1, ▪ Datengewinnung). Die Interaktivität von IBEs ist wesentlich kleinerals die von RCLs (← VI.1.1, ▪ Interaktivität).• RCLs können prinzipiell nicht durch Simulationen ersetzt werden, weil Simulationenkeine Messdaten, sondern berechnete Werte liefern (← VI.1.1).• Simulationen im Internet sind häufig lediglich Abbilder von Versuchen, die Nutzerfreundlichkeitist schlecht und die Interaktionsmöglichkeiten sind zu gering oder unüberlegt(→ VI.2.2).• Das Besucher-Tracking von RCLs zeigt, dass systematisch und geplant mit RCLs experimentiertwird (← III.2.2, ▪ Qualität).• Bei einer Vielzahl von RCLs mit Messungen zur Untersuchung quantitativer Zusammenhängezwischen zwei Größen können auch qualitative Je-Desto-Aussagen gemachtwerden.• RCLs mit visuellen, in Webcambilder dargestellten Versuchsergebnissen, erlaubenqualitative Vergleiche zwischen Webcambildern (← IV.2.6.3).• Demonstrationsexperimente erlauben den Schülern in der Regel auch nicht die Durchführungder genannten experimentellen Fertigkeiten und Fähigkeiten.• In Vorversuchen zu RCLs als Experiment vor der Klasse oder als Schülerexperimentkönnen die genannten Fertigkeiten und Fähigkeiten ergänzt werden.• Beim Selbstbau von RCLs in Arbeitsgemeinschaften (→ VIII.5.1) an der Schule oderauf einem Summercamp (→ VIII.5.2) können Schüler solche Fähigkeiten erlernen.• Variablere, komplexere Demonstrationsexperimente der Lehrmittelhersteller sind ent-

VI DIDAKTIK mit RCLs 178RCLs im EinsatzSchülerexperiment im Versuchsaufbaunicht mehr variierbar.RCLs sind für die Präsenzlehreungeeignet, weil nurein Lernender mit einemRCL experimentieren kann.RCLs sind so häufig defekt,über das Internet nicht erreichbaroder von einemBesucher belegt, dass einesichere Verfügbarkeit in derLehre nicht gewährleistetist.sprechend teurer.• RCLs mit gut gewählten oder vielen Interaktionsmöglichkeiten lassen beim Lernendennicht das Bedürfnis nach einer Veränderung des Versuchsaufbaus entstehen.• Geeignete Lehr-Lernformen (→ VI.3.2) gleichen diesen Nachteil von RCLs mehr alsnur aus.• Mit einem RCL können auch zwei Lernende gemeinsam experimentieren.• Die Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals liegt bei ungefähr 80 % (← III.1.1.1,▪ Testdurchführung und -auswertung).• Ein Buchungssystem (→ VIII.2) zur Reservierung von RCLs stellt den Zugriff auf einRCL sicher.Tab. 39: Behauptungen eines RCL-Kritikers und Stellungnahmen eines RCL-Befürworters.VI.2 Lernumgebungen von RCLsDefinitionen einer Lernumgebung sind weit gefasst und vielfältig. 181 Unter Lernumgebungenvon RCLs werden im Folgenden ausgewählte fremde oder selbst erstellte Medien und Materialienverstanden, die das Experimentieren mit RCLs und das Aneignen von Versuchsinhaltenunterstützen. Ziel des Einsatzes von Lernumgebungen ist ein möglichst eigenständigesErlernen von Physik mit RCLs. Die Lernumgebungen von RCLs können sowohl von Lehrendenwährend Lehrzeiten oder von Lernenden im Selbststudium außerhalb von Lehrzeiteneingesetzt werden.VI.2.1 Kognitive WerkzeugeZu den bekanntesten kognitiven Werkzeugen gehören Textverarbeitungsprogramme oder inder Physik die Kombination Papier-Stift-Taschenrechner. Kognitive Werkzeuge bieten keineLehrfunktionen 182 . Deswegen verlangt das Arbeiten mit kognitiven Werkzeugen von den Lernendeneine hohe Eigenständigkeit, eine hohe Aktivität und das Setzen von Zielen. Andererseitsentlasten kognitive Werkzeuge von Routinearbeiten. Tab. 40 zeigt eine Übersicht welchekognitiven Werkzeuge für welche RCLs des RCL-Portals geeignet sind:181 Vgl. z. B. Learntec, Glossar, Lernumgebung.182 Vgl. Telemap – Informationssystem zum Lehren und Lernen mit Neuen Medien, Lehr- und Lernfunktionen.

VI DIDAKTIK mit RCLs 179Papier, Stift undTaschenrechnerTabellenkalkulationz. B. ExcelComputeralgebraz. B. Mathcad 183 ,Mathematica 184Datenanalysez. B. Origin 185Grafikz. B. Paint,GIMP 186Videoanalysez. B. Coach 6Studio MV 187 ,Measure Dynamics188Nr.RCL1 Optische Computertomographie x2 Beugung und Interferenz II x x x x3 Halbleiterkennlinien x x4 Radioaktivität x x5 Optische Fourier-Transformation x x x6 Rutherfordscher Streuversuch x x x7 Weltpendel x x x8 Millikan-Versuch x x9 Beugung und Interferenz I x x x x10 Lichtgeschwindigkeit x x x x11 Windkanal x x12 Oszilloskop x x13 Elektronenbeugung x x x14 Fotoeffekt x x15 Maut16 Heißer Draht17 Roboter im LabyrinthTab. 40: Einsatz kognitiver Werkzeuge bei RCLs des RCL-Portals.Kognitive Werkzeuge werden zum Sammeln, Darstellen und Auswerten von Messdaten, zumVergleich von Messdaten mit der Theorie und zum Auswerten von Webcambildern eingesetzt:• Fast alle RCLs können mit dem Standardwerkzeug Papier-Stift-Taschenrechner wie in einemPraktikum ausgewertet werden. Die RCLs Maut, Heißer Draht und Roboter im Labyrinthbenötigen als spielerische RCLs zur Demonstration der RCL-Technik keine kognitivenWerkzeuge.• Je nach Umfang der anfallenden Messdaten und ob Messdaten mit Funktionen verglichenwerden sollen, können Tabellenkalkulationsprogramme oder Computeralgebrasystemeeingesetzt werden.• Zur Streckenmessung in Webcambildern können Grafikprogramme, die wie z. B. PaintKoordinaten der Curserposition im Bild anzeigen, eingesetzt werden. Für das Aufnehmenvieler Koordinaten in mehreren Bildern sind Videoanalyseprogramme, die Einzelbilderverarbeiten können, besser geeignet.183 Vgl. PTC, Mathcad.184 Vgl. Wolfram, Mathematica.185 Vgl. OriginLab, Origin.186 Vgl. The Gimp Team, Gimp.187 Vgl. Universität Amsterdam, Centre for Microcomputer Applications, Coach 6 Studio MV.188 Vgl. Phywe, Measure Dynamics.

VI DIDAKTIK mit RCLs 180Die Entscheidung für konkrete Programme hängt davon ab, ob Schüler oder Studierende mitRCLs experimentieren sollen und ob an der Schule oder Hochschule im Rahmen einer Ausbildungskonzeptionbereits geeignete Programme über mehrere Jahre eingesetzt werden.VI.2.2 SimulationenFür das RCL Optische Fourier-Transformation wurde eine geeignete ergänzende Simulationgefunden und vorgestellt (← IV.2.6.2). Bisher wurden zu existierenden RCLs geeignete Simulationgesucht und nicht an fertige RCLs angepasste Simulationen entwickelt oder währendder Entwicklung des RCLs bereits existierende gute Simulationen berücksichtigt (←III.3.5, Tab. 26, RCL Optische Pinzette). Die Anzahl guter und zu existierenden RCLs passendenSimulationen im Internet ist gering. Zur Verdeutlichung dieser Problematik werdendrei in Abb. 76 dargestellte Simulationen exemplarisch auf ihre Verwendbarkeit für die RCLsMillikan-Versuch, Weltpendel und Fotoeffekt geprüft:Simulation zum RCL Millikan-Versuch 189 Simulation zum RCL Weltpendel 190Simulation zum RCL Fotoeffekt 191Abb. 76: Simulationen als Lernumgebung von RCLs.189 Vgl. C. Groß, Applet Millikan-Versuch.190 Vgl. E. Neumann, MyPhysicsLab – Physics Simulation, Applet Simple Pendulum.191 Vgl. W. Fendt, Applet Der Photoeffekt.

VI DIDAKTIK mit RCLs 181• Simulation zum RCL Millikan-VersuchEine Simulation zum Millikan-Versuch ist sinnvoll, um das Messverfahren zur Bestimmungder Ladung von Öltröpfchen entdecken und die Versuchsdurchführung mit dem RCL oderdem Demonstrationsexperiment üben zu lassen. Die Simulation ist gut: Mehrere Versuchsvariantenzum Millikan-Versuch wie Steigen und Fallen mit und ohne elektrischesFeld und Schweben sind durchführbar und es wird eine hohe Interaktivität erzielt. Die Simulationarbeitet mit konkreten Werten des Millikan-Versuchs von Leybold und die grafischeOberfläche ist auf die notwendigsten Elemente reduziert. Die Nutzerfreundlichkeit istnicht optimal, aber ausreichend.• Simulation zum RCL WeltpendelDie Simulation ist die einzige gefundene zu Schwingungen mit einem anharmonischenPendel und variierbarer Erdbeschleunigung. Die Simulation ist schlecht: Die Interaktivitätist gering und die Simulation ist nahe an einer Animation. Die Nutzerfreundlichkeit istschlecht, weil die Größen keine Einheiten haben und die Zuordnung zwischen den Funktionender Buttons und den dargestellten Graphen von Funktionen unklar bleibt. Erst eineintensivere Betrachtung zeigt, dass Änderungen der Erdbeschleunigung nur bei erzwungenenSchwingungen einen Einfluss auf die dargestellten Graphen haben und damit dieSimulation für das RCL Weltpendel unbrauchbar ist.Eine wünschenswerte Simulation zur Erklärung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigungkonnte im Internet nicht gefunden werden. Für einen rotierenden Ellipsoidenvariierbarer Abplattung, Dichteverteilung und Winkelgeschwindigkeit sollten die Vektorender Gravitationsbeschleunigung, Zentrifugalbeschleunigung und effektiven Gravitationsbeschleunigungfür variierbaren Breitengrad graphisch dargestellt sowie Beträge undRichtungen der Vektoren ausgegeben werden.• Simulation zum RCL FotoeffektDie Simulation ist schlecht: Die Interaktivität ist gering, weil durch die Gestaltung der Simulationund die Textanweisungen dirigistisch durch den Versuch geführt wird. BerechneteWerte werden als Messwerte bezeichnet und die automatisierte Darstellung und Auswertungvermittelt ein realitätsfernes Bild des Versuchs.VI.2.3 Standard-LernumgebungViele RCLs bieten außer Hinweisen zur Bedienung des RCLs keine weiteren Informationenzum Inhalt des Experiments (← II.5.3, Abb. 19). Dies deutet darauf hin, dass die RCLs nichtzum eigenständigeren Lernen in Lehr-Lernkontexten eingesetzt werden. Außerhalb vonLehr-Lernkontexten können nur Experten als kleinem Teil potentieller Besucher systematischExperimentieren. Die RCLs sind dann technisch, aber nicht konzeptionell verfügbar.

VI DIDAKTIK mit RCLs 182RCLs des RCL-Portals verfügen deshalb über eine an Praktikumsversuchsanleitungen orientierteund an die Nutzung im Internet angepasste Standard-Lernumgebung aus Vorbereitung(Einstieg, Aufbau, Theorie, Material), Durchführung (Labor, Aufgaben) und Nachbereitung(Auswertung, Diskussion). Abb. 77 und Tab. 41 erläutern die Struktur und die Inhalte:Abb. 77: Standard-Lernumgebung des RCLs Fotoeffekt mit aufgerufenerWebseite Aufgaben.WebseiteEinstiegAufbauTheorieAufgabenLaborAuswertungDiskussionMaterialBetreuungInhalt• Motivation zur Versuchsdurchführung, Einordnung des Versuchs in einen größeren Kontext,Lerninhalte und Ziele des Versuchs• Beschreibung des Versuchsaufbaus und Angabe von Versuchsdaten• Physikalisches Wissen zum Verständnis und zur Durchführung des Versuchs• Qualitative und quantitative Aufgaben zum Experimentieren mit dem RCL• Experimentieren mit dem RCL• Exemplarische Messergebnisse und deren Auswertung (meistens mit Fehlerdiskussion)• Vertiefende Fragen und Aufgaben zu den Inhalten der Webseiten Aufbau, Theorie, Laborund Auswertung• Angaben zum Versuchsmaterial (Gerätebezeichnungen und -beschreibungen, Firmenmanuale,Bezugsquellen), didaktisches Material (Unterrichtseinheiten, Aufgabensammlungen,Medien), Literatur und Links (Ausgewählte Nicht-Standard-Literatur, Links zu inhaltlich gutenWebseiten)• Angaben zur inhaltlichen Verantwortung für das RCLTab. 41: Struktur und Inhalt der Standard-Lernumgebung der RCLs des RCL-Portals.Die Struktur der Webseiten ist nahe am Printmedium gehalten: Untermenüpunkte fehlen, dieWebseiten sind intern nicht miteinander verlinkt und enthalten abgesehen von der WebseiteMaterial keine externen Links. Wenige interne Links führen wie z. B. beim RCL Weltpendelund Rutherfordscher Streuversuch zu pdf-Dokumenten mit vertiefenden Informationen undHerleitungen. Vereinzelt werden auf der Webseite Theorie z. B. bei den RCLs Elektronen-

VI DIDAKTIK mit RCLs 183beugung sowie Beugung und Interferenz II Applets eingesetzt. Weitere Gründe eine Standard-Lernumgebungzu RCLs anzubieten sind:• Zeitaufwendiges Nachschlagen von Informationen in Büchern wird minimiert.• Non-Standard-, komplexere und weniger bekannte Versuche (z. B. RCLs Weltpendel, OptischeFourier-Transformation, Optische Computertomographie) machen Informationenzur Durchführung und zum Verständnis des Versuchs zwingend erforderlich.• Lehrende können die Standard-Lernumgebung als Lernmaterial oder Lernende zumSelbststudium einsetzen.VI.2.4 AufgabensammlungenIn Schule und Hochschule werden zentrale Experimente, wie die auf dem RCL-Portal, in derLehre eingesetzt. Hierbei sind Aufgaben für Lehrende ein wichtiges Instrument um physikalischeInhalte zu vermitteln und für Lernende um sich Inhalte anzueignen. Deshalb wurden 4größere Aufgabensammlungen in deutscher und englischer Sprache zu den RCLs RutherfordscherStreuversuch, Elektronenbeugung, Millikan-Versuch, Weltpendel und zweikleinere in deutscher Sprache zu den RCLs Fotoeffekt und Windkanal erstellt. Abb. 78 zeigtexemplarisch das Inhaltsverzeichnis der Aufgabensammlung zum RCL RutherfordscherStreuversuch und eine der Aufgaben:Abb. 78: Inhaltsverzeichnis (links) und Aufgabe I.2 (rechts) der Aufgabensammlung zum RCL RutherfordscherStreuversuch.

VI DIDAKTIK mit RCLs 184Die größeren Aufgabensammlungen bieten Aufgaben mit bis zu sieben Teilaufgaben zurTheorie, zum Versuchsaufbau, zur Versuchsdurchführung und zur Versuchsauswertung mitausführlichen Lösungen. Alle Aufgabensammlungen können im RCL-Portal auf der WebseiteMaterial der Standard-Lernumgebung des RCLs heruntergeladen werden. Tab. 42 gibt eineÜbersicht zum Umfang der 6 Aufgabensammlungen:Anzahl der Aufgaben (Teilaufgaben) Aufgaben +Versuchsaufbauund -auswertung(Seiten)Versuchsdurch-LösungenTheorieGesamtNr.RCL1 Rutherfordscher Streuversuch 8 (28) 3 (8) 5 (21) 16 (57) 11 + 25 = 362 Elektronenbeugung 3 (8) 3 (7) 3 (9) 9 (24) 4 + 11 = 153 Millikan-Versuch 10 (31) 5 (16) 2 (7) 17 (54) 8 + 14 = 224 Weltpendel 4 (14) 3 (6) 3 (5) 10 (25) 5 + 15 = 205 Fotoeffekt 5 (14) 1 (4) 1 (5) 7 (23) 5 + 0 = 56 Windkanal 5 (17) 1 (4) 2 (5) 8 (26) 5 + 6 = 11Gesamt 35 (117) 14 (45) 13 (52) 52 (209) 38 + 71 = 109Tab. 42: Umfang der Aufgabensammlungen zu RCLs des RCL-Portals.Insgesamt sind auf mehr als 100 Seiten 52 Aufgaben mit 209 Teilaufgaben und Lösungenverfügbar. Etwa die Hälfte davon entfällt auf Aufgaben zur Theorie, die andere Hälfte auf dierestlichen Bereiche. Tab. 43 zeigt anhand der Anzahl von Teilaufgaben, dass die Aufgabensammlungengleichermaßen für Schule und Hochschule geeignet sind:Nr.Aufgabensammlungzum RCLSchuleSchule/UniversitätNurUniversitätGesamt1 Rutherfordscher Streuversuch 20 16 21 572 Elektronenbeugung 14 8 2 243 Millikan-Versuch 21 20 13 544 Weltpendel 0 6 19 255 Fotoeffekt 15 8 0 236 Windkanal 15 7 4 26Gesamt 85 65 59 209Tab. 43: Eignung von Teilaufgaben der Aufgabensammlungen für Schule, Schuleoder Universität und nur Universität.Folgende Punkte machen den Mehrwert der Aufgaben aus:• Die großen Aufgabensammlungen enthalten Anregungen zum Unterrichtseinsatz der Aufgabenin der Schule (← VI.2.4, Abb. 78) und besitzen eine hohe Nützlichkeit für den praktizierendenLehrer.• Die Verständlichkeit der Lösungen ist durch ausführlichen Text, detaillierte Herleitungenund reichlich Bilder und Diagramme gewährleistet.• Fast die Hälfte der Teilaufgaben sind experimentbezogene Aufgaben, die für Lernendemeist motivierender als theoriegeleitete Aufgaben sind.• Aufgrund der Lösungen sind die Aufgaben auch als Material zum Selbststudium geeignet.

VI DIDAKTIK mit RCLs 185• Nur wenige Aufgaben sind so konkret auf ein RCLs bezogen, dass ein Experimentierenmit dem RCL Voraussetzung ist. In der Schule können die vielfältigen Aufgaben in Klausuren,im Unterricht, als Hausaufgabe, als Abituraufgabe, als Vorlage für Unterrichtsstundenund zur eigenen Weiterbildung der Lehrkraft eingesetzt werden. In der Hochschulekönnen die Aufgaben zur Vorbereitung eines Praktikums, in Übungen zur Experimentalphysikoder als Übungsmaterial in der Fernlehre eingesetzt werden.• In den Aufgabestellungen und Lösungen werden in vielfältiger Weise Formeln, Gleichungen,Diagramme, Tabellen, Zeichnungen, Bilder und Texte als Mittel zur Darstellung physikalischerInhalte verwendet.VI.2.5 TutorialsDas Internet stellt viele Tutorials in Form von schriftlichen Anleitungen für Computerprogrammeund Programmiersprachen wie z. B. PHP bereit (← V.1.2, Tab. 33). Inhalte werdenSchritt um Schritt für einen weitgehend linearen Lernprozess dargestellt. Tutorials sollen aufdiese Weise einen fest umrissenen Lerninhalt ohne Lehrenden in effizienter Weise vermitteln.192 Für Lernende sind Tutorials zu RCLs als Material zum Selbststudium unter Beachtungfolgender Punkte relevant:• Tutorial-geeignete RCLsGeeignet für Tutorials sind RCLs deren Versuchsinhalte sich nicht innerhalb weniger Unterrichtsstundenoder an einem einzigen Vorlesungstermin vermittelt werden können, dieeine hinreichend große Anzahl experimenteller Aktivitäten bieten und keine Standardinhalteder anvisierten Zielgruppe sind. Dazu gehören die RCLs Optische Fourier-Transformation, Optische Computertomographie, Beugung und Interferenz II und Oszilloskopin einer verbesserten Version als voll ferngesteuertes Oszilloskop (← III.3.5, Tab.25, RCL Oszilloskop).Die Beugung an eindimensionalen Gittern ist in vielen Schul- und Hochschullehrbüchernsowie Zeitschriftenartikeln umfassend dargestellt. Interessant ist ein Tutorial, in dem diemathematische Beschreibung der Beugung vom Zeigerkonzept bis hin zur eindimensionalenFourier-Transformation in enger Anbindung an das RCL Beugung und Interferenz IIentwickelt wird. Damit wäre ein Bindeglied zwischen Schule und Hochschule geschaffen.• Fehlende personelle BetreuungMit einem Tutorial sollen sich Lernende im Selbststudium komplexere Inhalte aneignenkönnen. Deshalb müssen bei fehlender personeller Betreuung Maßnahmen zur Aktivie-192 Vgl. Wikipedia, Tutorial.

VI DIDAKTIK mit RCLs 186rung des Lernenden und Kontrollen des Lernfortschritts wie Lernfragen, Übungsaufgaben,Lösungsbeispiele, Selbsterklärungen 193 und Tests Bestandteil des Tutorials sein.• RCL-Entwicklung und TutorialRCL und Tutorial müssen eng in den Inhalten aufeinander abgestimmt sein. Derzeit ist esnur möglich zu bereits existierenden RCLs ein Tutorial zu erstellen. Am besten geeignetsind die RCLs Optische Fourier-Transformation und Beugung und Interferenz II, weil derenInhalte nachträglich durch Anpassung der Beugungsobjekte variiert werden können(← IV.2.8). Das RCL Optische Computertomographie müsste für ein Tutorial voraussichtlichinhaltlich und technisch überarbeitet werden.• Lernen mit RCL-Tutorial und im HochschulpraktikumPraktika an der Hochschule werden durchgeführt, indem Studierende in der Vorbereitungdie Theorie zum Versuch erarbeiten und dann den Versuch durchführen. Theorie und Experimentwerden zeitlich getrennt nacheinander in Blöcken vermittelt. Die Kombinationvon Tutorial und RCL erlaubt eine viel engere und kleinschrittigere Verzahnung von Theorieund Experiment. Mehrfache, wechselseitige Übergänge von Theorie zum Experimentund vom Experiment zur Theorie sind möglich und die Gefahr einer Anhäufung von unverstandenenInhalten wird gesenkt.VI.3VI.3.1Lehren und Lernen mit RCLs in der Sekundarstufe IIVoraussetzungenVoraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz von RCLs im Unterricht sind:• Eigenschaften von RCLs wie z. B. dass RCLs ein Lernmedium für Schüler außerhalb desUnterrichts sind, werden berücksichtigt (← VI.1.1, ← VI.1.2, ← VI.1.3).• Bedingungen zum Lernen mit Medien werden berücksichtigt, z. B. dass Lerneffekte mitRCLs umso eher eintreten, je langfristiger der Einsatz geplant und je umfassender derEinsatz durchgeführt wird.• Organisatorische Rahmenbedingungen des Unterrichts wie z. B. Kursgröße, Zahl der Unterrichtsstunden,verfügbare RCLs und Lehrplaninhalte werden berücksichtigt.Eine Organisation des Einsatzes von RCLs muss deshalb frühzeitig zum Beginn der SekundarstufeII erfolgen, das Lernen mit RCLs außerhalb des Unterrichts umfassen und auf dieEntwicklung langfristiger Arbeits- und Lernstrukturen der Schüler gerichtet sein:193 Vgl. Seufert 2004, S. 55-56.

VI DIDAKTIK mit RCLs 187• Demonstrationsexperiment und RCLDas Realexperiment ist in der Schule, mehr noch als in der universitären Lehre, zentralals Methode der Physiklehre und zur Vermittlung von Lerninhalten. Der alleinige Einsatzvon Lehrer-Demonstrationsexperimenten bietet Schülern zu geringe Beteiligungsmöglichkeiten(← V.1.3, Zeit zum Experimentieren) und schöpft die intellektuelle Leistungsfähigkeitvon Schülern im Alter zwischen 16 und 18 Jahren nicht genügend aus. Die Kombinationvon Lehrer-Demonstrationsexperiment als Lehrmedium und RCL als Lernmediumsollte Leitmedium eines experimentell ausgerichteten Unterrichts in der Sekundarstufe IIsein.• Inhaltliche Voraussetzungen zum Lernen mit RCLsSchüler können erst eigenständig mit RCLs experimentieren und lernen, wenn dazu dieinhaltlichen Voraussetzungen geschaffen sind. Dazu gehören Kenntnisse zu experimentellenFachmethoden (grafische und tabellarische Darstellung von Messwerten, Auswertungsverfahren,Fehlerrechnung, abhängige und unabhängige Variablen, …) und die Einführungvon mindestens einem kognitiven Werkzeug wie z. B. Tabellenkalkulation oderein Computeralgebrasystem (← VI.2.1). In den Fächern Informatik oder Mathematik bereitseingeführte Programme sollten selbstverständlicherweise verwendet werden. Fachmethodenwie z. B. das Wechselspiel von Induktion und Deduktion sollten von der Lehrkraftanhand von Lehrer-Demonstrationsexperimenten eingeführt worden sein.• Experimentieren mit RCLs in KleingruppenExperimentelle Hausaufgaben mit einem RCL für alle Schüler eines Kurses stellen keingemeinsames Voranschreiten in den Inhalten und im Lernen sicher. Bei älteren Schülerngenügt es, wenn nur ein Teil der Schüler mit einem RCL experimentiert und die Ergebnisseim Unterricht präsentiert werden. Dazu sind möglichst dauerhaft in der Sekundarstufe IIzusammenarbeitende, aus 3 - 4 Schülern bestehende Kleingruppen, zu bilden. Diese Organisationsformdes Experimentierens bietet folgende Vorteile:Dauerhaft außerhalb des Unterrichts mit digitaler Kommunikation zusammenarbeitendeKleingruppen fördern Verantwortung und Vertrauen zwischen den Schülern und bereitenauf Arbeitsformen im Berufsleben vor. Je nach RCL, Unterrichtsverlauf und experimentellerZielsetzung können eine oder mehrere Kleingruppen themengleich oder -ungleich übereinen oder mehrere Unterrichtstermine hinweg experimentieren (→ VI.3.2). Der zeitlicheMehraufwand der Schüler für experimentelle Hausaufgaben mit RCLs gegenüber traditionellenHausaufgaben ist durch den Wechsel des Experimentierens von Kleingruppe zuKleingruppe akzeptabel.• Lernen mit RCLs außerhalb des UnterrichtsWerden RCLs in der beschriebenen Weise eingesetzt, dann wandeln sich Hausaufgabenfür die Lehrkraft und Schüler vom additiven zum essentiellen Bestandteil des Unterrichts.Es besteht die Gefahr, dass Schüler erst im Laufe der Zeit die damit verbundenenLernchancen sehen und eine notwendige positive Lernhaltung einnehmen. Eine Reduktiondominierender Lehrbuchhausaufgaben in den Naturwissenschaften und Mathematik

VI DIDAKTIK mit RCLs 188zugunsten experimenteller Hausaufgaben muss von den Schülern mitgetragen werden.Es besteht wie beim Schülerexperiment die Gefahr, dass mancher Schüler beim Experimentierenmit RCLs außerhalb der Lehrzeiten den Kopf ausschaltet.VI.3.2 Lehr-LernformenEinteilungen von Methoden im Physikunterricht wie z. B. in methodische Großformen, Konzepte,Unterrichtsschritte und Organisationsformen 194 sind wenig hilfreich bei der AufgabeRCLs methodisch geschickt im Unterricht einzusetzen. Diese beziehen sich ausschließlichauf den Präsenzunterricht und berücksichtigen zu wenig den starken Zusammenhang zwischenMedium und Methode bei RCLs. Deshalb wird hier verallgemeinernd von Lehr-Lernformen gesprochen. In Tab. 44 sind Lehr-Lernformen in der ungefähren Reihenfolge abnehmenderHäufigkeit eines potentiellen Einsatzes im Physikunterricht angegeben:Nr.1Lehr-LernformExperimentelleHausaufgabeExperimentatorZeitUnterrichtstermineS aU 22 S aU 23 S aU 24 S aU 25 S iU 16 L iU 17DemonstrationsexperimentersatzL iU 1Kommentare und BeispieleRCL als Mittel zur Bildung von Hypothesen: Elektronenbeugung• Schüler kennen Beugungsmuster der Beugung von Röntgenstrahlung an polykristallinemGraphit• Hypothese, dass sich Elektronen wie Wellen verhalten könnenRCL zum Üben experimentellen Fachmethoden: Mehrere RCLs• Üben experimenteller Fachmethoden wird zu selten durchgeführt• Wiederholen experimenteller Fachmethoden von Schülern zuhause mit RCLRCL als Fortführung qualitativer Einstiegsversuche: Rutherfordscher Streuversuch• Streuung von Alphastrahlung an Metallfolien wird in Luft qualitativ gezeigt• Schüler erhalten Aufgabe Streuung quantitativ zu untersuchenKooperatives Messen mit RCL: Millikan-Versuch, Rutherfordscher Streuversuch,Weltpendel• Schüler tragen in Gruppen außerhalb des Unterrichts Messdaten zusammen• Sinnvoll bei Versuchen die viele Messdaten erfordern• Einsatz eines Kommunikationstools wie Wiki sinnvollPräsentation experimenteller Hausaufgaben mit RCL vor der Gruppe: MehrereRCLs• Schüler stellen mit dem RCL Ergebnisse experimenteller Hausaufgaben im UnterrichtvorRCL zur Vorbereitung experimenteller Hausaufgaben: Mehrere RCLs• Lehrkraft führt im Unterricht in ein RCL für experimentelle Hausaufgabe einRCL als Ersatz für fehlende oder defekte Demonstrationsexperimente: MehrereRCLs• Lehrkraft führt im Unterricht wie mit einem Demonstrationsexperiment einen Versuchdurch194 Vgl. Kircher 2006, S. 171-228.

VI DIDAKTIK mit RCLs 18989ExperimentalvortragExperimentellerThemeneinstiegS iU 1S aU 310 S aU 31112FachmethodeTheorie-ExperimentUnterrichtsprojektS aU 4SiUaU13 Lernzirkel S iU 2141516ExperimentalprüfungSchüler-DemonstrationsexperimentSelbststudium5S iU 1S aU 1S aU -17 S aU -RCL als Experiment in einem Experimentalvortrag von Schülern: Mehrere RCLs• Einfacher und schneller für Schüler durchzuführen als mit Demonstrationsexperiment,weil Hantieren mit dem Experiment entfällt• Vorbereitung auf Experimentalvortrag von Schülern mit DemonstrationsexperimentRCL als Mittel zum Einstieg in ein Themengebiet über mehrere Teilversuche: Radioaktivität• Schülergruppen erhalten Aufträge jeweils einen Teilversuch des RCLs (Absorptionvon Strahlung, Ablenkung von Strahlung, …) durchzuführen• Ergebnisse werden zusammengetragen, dann vertieftes Weiterexperimentieren• Schüler machen zuerst experimentelle Erfahrungen und dann erst Behandlungder TheorieRCL als Mittel zum Einstieg in ein Themengebiet über qualitatives, explorierendesExperimentieren: Beugung und Interferenz II• Schülern wird im Unterricht Phänomen der Beugung am Doppelspalt gezeigt• Schüler erhalten Auftrag zu untersuchen von welchen Parametern die Beugungabhängt und qualitative Zusammenhänge zu formulierenRCL als Mittel zur Unterscheidung der theoretischen von der experimentellen Methode:Beugung und Interferenz II• Theoretische und experimentelle Methode werden von den Schülern im traditionellenUnterricht nur unzureichend erkannt, weil der Einsatz beider Methodenstark durch die Lehrkraft gesteuert wird• Im Unterricht arbeitet die Lehrkraft mit den Schülern nur theoretisch, außerhalbdes Unterrichts experimentieren die Schüler mit dem RCL• Schüler bringen experimentelle Ergebnisse und Hypothesen in den Unterricht ein,die durch Rechnung bestätigt werden sollen. Deduktiv im Unterricht hergeleiteteVorhersagen werden von den Schülern experimentell bestätigt oder verworfenRCL als zentrales Experiment eines Unterrichtsprojekts: Millikan-Versuch, RutherfordscherStreuversuch• Sinnvoll bei bedeutenden Experimenten• Ziel des Projekts z. B. Ausstellung in der Schule mit Vortrag• Kurs wird in Gruppen mit verschiedenen inhaltlichen Schwerpunkten zum Versuchaufgeteilt (Theorie, Historie, Versuchsdurchführung, Versuchsauswertung,…)• Während oder außerhalb der Unterrichtszeit führen alle Schüler neben ihremGruppenauftrag Messungen mit dem RCL durchRCL als Station in einem Lernzirkel: Fotoeffekt, Lichtgeschwindigkeit, Windkanal• Sinnvoll bei RCLs deren inhaltlicher Umfang sich leicht in einen Lernzirkel umsetzenlassen• Kein Problem mit Mehrfachzugriffen auf ein RCLRCL als Mittel zur Prüfung des physikalischen Verständnisses: Mehrere RCLs• Nachweis des Verständnisses durch Handlungen am Experiment• Fragen zum Zusammenhang zwischen Versuchsaufbau und ExperimentRCL als Mittel zur Vorbereitung der Durchführung eines Demonstrationsexperimentsdurch Schüler: Elektronenbeugung, Fotoeffekt• Versuche die als Demonstrationsexperiment und RCL vorhanden sind• Schüler bereiten sich mit RCL zuhause auf Durchführung des Demonstrationsexperimentsim Unterricht vorUnterstützung und Betreuung interessierter und begabter Schüler: Mehrere RCLs• Schüler die an Themen interessiert sind, welche noch nicht oder gar nicht im Unterrichtbehandelt werden und zu denen ein RCL vorhanden ist, können sich mitdem RCL außerhalb des Unterrichts auseinandersetzenFacharbeit zu RCL: Mehrere RCLs• Durchführung von Messungen mit RCL für Facharbeit• Für begabte Schüler Themen die außerhalb des Schulstoffes liegen wie z. B. OptischeComputertomographie• Keiner oder verringerter experimenteller Vorbereitungsaufwand für die LehrkraftTab. 44: Lehr-Lernformen mit RCLs für den Physikunterricht.

VI DIDAKTIK mit RCLs 190Varianten von Lehr-Lernformen sind gekennzeichnet durch Lehrkraft (L) oder Schüler (S) alsExperimentator und danach, ob mit RCLs innerhalb (iU) oder außerhalb des Unterrichts (aU)experimentiert wird (← VI.1.2, Abb. 75). Zusätzlich ist angegeben wie viele Unterrichtsterminein etwa zur Durchführung der Variante notwendig sind. Kommentare zur Durchführungder Lehr-Lernform mit geeigneten RCLs sollen eine Vorstellung vom Unterrichtsverlauf vermitteln.Die Anzahl der S- und aU-Einträge zeigt, dass RCLs überwiegend von Schülern außerhalbdes Unterrichts als Lernmedium einsetzbar sind. Lehr-Lernformen von kurzer Dauer (1 - 3Unterrichtstermine) sind experimentelle Hausaufgaben, Lernzirkel, Demonstrationsexperimentersatz,Experimentalvortrag, Experimentalprüfung und Schüler-Demonstrationsexperiment.Lehr-Lernformen von mittlerer Dauer (3 - 5 Unterrichtstermine) sind experimentellerThemeneinstieg, Blended Learning und Unterrichtsprojekt. Von langfristiger Dauer istdie Lehr-Lernform Selbststudium, weil die genannten Varianten während der gesamten SekundarstufeII aktuell sind.Mit den Lehr-Lernformen Experimentalvortrag (Schwerpunkt auf dem Vortragen) und Schüler-Demonstrationsexperiment(Schwerpunkt auf dem Experimentieren) können Schüler indrei Schritten systematisch an einen Experimentalvortrag mit einem traditionellen Realexperimentals letztem Schritt herangeführt werden.VI.3.3 Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit der ErdbeschleunigungDer Mehrzahl von Schülern ist zu Beginn der Sekundarstufe II die Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung unbekannt. Mit dem RCL Weltpendel (← IV.1) können Schüler diesesPhänomen entdecken und erklären lernen. In der Unterrichtseinheit müssen folgendevereinfachenden Annahmen gemacht und potentielle Lernschwierigkeiten berücksichtigtwerden:• Vereinfachende AnnahmenDie Gravitationsfeldstärke bzw. Gravitationskraft zeigt bei einem homogenen Rotationsellipsoidenals Modell der Erde nur am Äquator und den Polen zum Mittelpunkt der Erde. Eswird deshalb vereinfachend angenommen, dass die Gravitationskraft unabhängig vomBreitengrad zum Mittelpunkt des Rotationsellipsoiden zeigt.Je nach Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Pendelmasse wirkt auf die Pendelmasseauch die gegenüber den anderen Kräften zu vernachlässigende Corioliskraft.• Umgang mit potentiellen LernschwierigkeitenWird ein Pendel zur Messung der Erdbeschleunigung verwendet, findet eine Bewegungder Pendelmasse im rotierenden Bezugssystem der Erde statt, was für ein Verständnisder wirkenden Zentrifugalkraft hinderlich sein kann. Deshalb wird zur Erklärung der Breitengradabhängigkeitals Erdbeschleunigungsmesser eine Federwaage verwendet. In Abb.

VI DIDAKTIK mit RCLs 19180 kompensiert die Führung der Masse in der Federwaage die tangentiale Komponenteder Zentrifugalkraft. Durch die statische Messung tritt keine Corioliskraft auf.Mit einer Federwaage kann der Begriff effektive Gewichtskraft (Gewichtskraft und Zentrifugalkraft)bei der Rotationsbewegung der Erde leichter in Analogie zur beschleunigtenTranslationsbewegung eines Fahrstuhls (Gewichtskraft und lineare Trägheitskraft) eingeführtwerden. Auf den Unterschied zwischen Gravitations- und (effektiver) Erdbeschleunigungmuss eingegangen werden.Hilfreich zum Verständnis der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung sindGrenzfälle der effektiven Gewichtskraft für die Breitengrade φ = ± 90° (Pole) und φ = 0°(Äquator), für die Winkelgeschwindigkeit ω = 0 s -1 der Erde (ruhende Erde) und für eineWinkelgeschwindigkeit der Erde die so groß ist, dass die effektive Gewichtskraft Null wird.Eine Analogie zu einer belasteten Federwaage in einem frei fallenden Fahrstuhl kannleicht hergestellt werden.In Tab. 45 sind für eine ungefähr 5-stündige Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung in einem Leistungskurs die Schritte im (iU) und außerhalb des Unterrichts(aU), eine konkretisierende Beschreibung der Schritte und die Lernvoraussetzungenangegeben:Schritt Zeit Beschreibung LernvoraussetzungVorbereitung der Messungenmit RCL WeltpendelMessungen mit RCLWeltpendel(Hausaufgabe)Notwendige Messgenauigkeitzum Nachweisder Breitengradabhängigkeitder ErdbeschleunigungiUaUiU• Lehrkraft startet auf der Laborseite des deutschen Weltpendels inKaisersesch eine Schwingung• Schüler sollen anhand der Angaben auf der Laborseite herausfinden,dass die Bestimmung der Erdbeschleunigung Ziel desVersuchs ist• Lehrkraft diskutiert mit Kurs, ob bei großen oder kleinen Winkelngemessen werden soll und wozu eine Temperaturmessung erforderlichist• Schüler bestimmen exemplarisch aus einer Temperatur- und einerSchwingungsdauermessung mit Formel für Schwingungsdauereines mathematischen Pendels bei kleinen Auslenkungendie Erdbeschleunigung• Lehrkraft stellt die weiteren Pendelstandorte an einem Globusvor. Schüler formulieren Vermutungen, warum es sinnvoll seinkönnte die Erdbeschleunigung an mehreren Standorten der Erdezu bestimmen• Für jeden Pendelstandort bestimmt eine Kleingruppe die Erdbeschleunigungmit mehreren Messungen für einen kleinen und einengroßen Auslenkwinkel• Jede Kleingruppe muss eine Excel-Tabelle mit mindestens 10Messungen für beide Auslenkwinkel anfertigen und die Erdbeschleunigungmit Angabe von Mittelwert und Standardabweichungfür beide Auslenkwinkel bestimmen• Schüler sollen nur Laborseiten des RCL Weltpendel benutzenund keine Informationen zur Theorie einholen• Jede Kleingruppe stellt kurz Messergebnisse vor und kommentiertsie. Zusammenfassung der Ergebnisse aller Kleingruppen ineiner Tabelle mit Standort, Erdbeschleunigung für großen undkleinen Auslenkwinkel• Beobachtung, dass Schwingungsdauer bzw. Erdbeschleunigungbei großen Auslenkwinkeln immer größer bzw. kleiner als beikleinen ist. Diskussion mit Kurs, ob es zwei Erdbeschleunigungenan einem Standort geben kann. Erklärung mit Anharmonizität desPendels und Berechnung von T(0°) = T(α)/k(α) (← IV.1.4,▪ Anharmonizität) und Vergleich mit T bei kleinem Auslenkwinkel• Beobachtung, dass die Erdbeschleunigung umso größer ist, je• Formel für SchwingungsdauereinesmathematischenPendels• Pendel nur näherungsweisefür kleineWinkel ein harmonischerSchwinger• Gesetz zur thermischenLängenänderungeines Drahtes• Bestimmung von Mittelwertund StandardabweichungeinerStichprobeMesswertenvon• Abschätzung systematischerFehler

VI DIDAKTIK mit RCLs 192Suche nach Erklärungenfür Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung(Hausaufgabe)Qualitative Erklärungder Breitengradabhängigkeitder ErdbeschleunigungAusweitung der Messungenauf alle Breitengrade(Hausaufgabe)Quantitative Modelle derBreitengradabhängigkeitder ErdbeschleunigungaUiUaUiUnördlicher der Standort liegt. Hypothese zur Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung. Eine analoge Je-Desto-Aussagefür den Längengrad kann nicht beobachtet werden• Unterrichtsgespräch zu systematischen Messfehlern: Lehrkrafthinterfragt kritisch, ob der gemessene Unterschied von ungefähr0,03 m/s 2 nicht auf die Unterschiedlichkeit der Pendel zurückzuführenist. Diskussion zu systematischen Fehlern der Erdbeschleunigungaufgrund zu ungenau gemessener Pendellängeund Schwingungsdauer. Lehrkraft teilt Schülern Genauigkeit derLängen- und Zeitmessung beim Pendel mit. Schüler ermittelnmaximalen systematischen Fehler der Erdbeschleunigungsbestimmung• Optionales Unterrichtsgespräch zur Story von Richer (← IV.1.1).Schüler sollen Beobachtung Richer´s. Diskussion, ob 2 min/TagGangfehler der Pendeluhr nicht auch auf eine höhere Temperaturdes nahe am Äquator gelegenen Cayenne zurückzuführen sind.Schüler berechnen an einem Beispiel, um wie viel die mit einemPendel ermittelte Erdbeschleunigung bei Temperaturänderungum 10 °C schwankt• Unterrichtsgespräch zu Ergebnis der bisherigen Betrachtungen:Mit Sicherheit konnte experimentell eine geringe Abhängigkeit derErdbeschleunigung (Schwankung um weniger als 1 %) vom Breitengradfestgestellt werden.• Qualitative Erklärung des Phänomens als Hausaufgabe mit elektronischemArbeitsblatt (→ VI.3.3, Abb. 79). Lehrkraft gibt Hinweiseauf Quellen wie Standard-Lernumgebung des RCLs 195 undLehrbücher• Jede Kleingruppen darf nur ein gemeinsam bearbeitetes Arbeitsblattin der nächsten Unterrichtsstunde per Beamer präsentieren• Präsentation und Besprechung der Arbeitsblätter der Kleingruppen.Aufgreifen der Schülerbeiträge und Erarbeitung der Lösung(→VI.3.3, Abb. 79)• Unterrichtsgespräch zur qualitativen Erklärung der Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung unter Beachtung derLernschwierigkeiten der Schüler (→ VI.3.3, ▪ Umgang mit potentiellenLernschwierigkeiten)• Ziel: Schüler sollen erkennen, dass Breitengradabhängigkeit derErdbeschleunigung durch Überlagerung zweier in gleicher Richtungzusammenwirkender Effekte (Änderung der Gravitationsundder Zentrifugalkraft mit dem Breitengrad) entsteht• Lehrkraft stellt für Hausaufgabe das Gravity Information System196 vor• Vergleich der gemessenen Erdbeschleunigungen mit den Wertenim Gravity Information System und Eintragen in ein g(φ)-Diagramm. Ergänzung des Diagramms um weitere "Messpunkte"aus dem Gravity Information System• Schüler formulieren anhand des Diagramms zusammenfassendesErgebnis zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung• Lehrkraft diskutiert mit Kurs die Frage nach der Berechnung vong(φ). Schüler sollen herausfinden was mit ihren Mitteln berechnetwerden kann.• Herleitung der Abhängigkeit der Zentrifugalkraftkomponente vomBreitengrad• Vergleich dreier quantitativer Modelle zur Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung (→ VI.3.3, Abb. 80)• Kleingruppen tragen in Diagramm von g(φ) mit experimentellenWerten der Erdbeschleunigung theoretischen Verlauf ein.• Gravitationskraft• ZentrifugalkraftTrägheitskraftals• Darstellung vonMesswerten in einemDiagramm• Umsetzen eines Diagrammsin physikalischeAussagen• Gravitationsgesetz• Formel für ZentrifugalkraftTab. 45: Unterrichtseinheit zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung mit dem RCLWeltpendel.195 Vgl. RCL-Portal unter RCLs/Weltpendel/Theorie.196 Vgl. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Gravity Information System, Gravity.

VI DIDAKTIK mit RCLs 193• Arbeitsblatt zur qualitativen Erklärung der BreitengradabhängigkeitEs gibt derzeit keine für schulische Zwecke geeignete Simulation (← VI.2.2, ▪ Simulationzum RCL Weltpendel) und kein geeignetes Modellexperiment als Hilfe zur Erklärung derBreitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung. Ein Modellexperiment in dem die vertikaleSchwingungsebene eines Pendels um einen variablen Winkel φ zwischen 0° und 90°gedreht und nur noch die Kraft F = mgcosφ das Pendel antreibt 197 ist wenig überzeugend,weil das Modellexperiment in den Ursachen und der Funktion g(φ) der Breitengradabhängigkeitzu wenig mit der Realität übereinstimmt. Deshalb wird folgendes Arbeitsblatt verwendet:Eine Kugel hängt unter den Breitengraden 0°, ≈ 30°, ≈60° und 90° an einer Federwaage. Durch die reibungsfreieFührung der Kugel in der Federwaage werden zurErdoberfläche parallele Bewegungen der Kugel verhindert:Tragt für die Breitengrade qualitativ richtig alle im rotierendenBezugssystem der Erde an der Kugel angreifendenKräfte ein (jede Kraft oder Kraftkomponente in einereigenen Farbe) und benennt die Kräfte. Erklärt die Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung.Abb. 79: Arbeitsblatt zur Erklärung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung (links).Erwartete Lösung (rechts).• Quantitative Modelle zur Breitengradabhängigkeit der ErdbeschleunigungIn Abb. 80 ist für drei geometrische Modelle der Erde die Breitengradabhängigkeit derErdbeschleunigung dargestellt:197 Vgl. Phywe, Variables g-Pendel.

VI DIDAKTIK mit RCLs 194Abb. 80: Quantitative Modelle zur Beschreibung der Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung.Der Modelle können als Abschluss der Unterrichtsreihe mit den Schülern diskutiert werden(← VI.3.3, Tab. 45).VI.4 Selbstbau von RCLsDer Selbstbau von RCLs durch Studierende für das Lehramt an Gymnasien wurde im RCL-Projekt konsequent verfolgt. Zehn der heute 17 im RCL-Portal verfügbaren RCLs sind imRahmen von Staatsexamensarbeiten realisiert worden (← II.1.2, ▪ Kombiniertes Entwicklungs-und Ausbildungsprojekt). Erste Erfahrungen inwieweit Schüler in der Lage sind RCLszu realisieren konnten 2006 auf einem Summercamp gemacht werden (→ VI.4.1). Studierendekonnten durch motivierte und kompetente Mitglieder des RCL-Projekts betreut werden.Die Frage inwieweit Lehrkräfte motiviert und kompetent Schüler beim Selbstbau von RCLsan der Schule betreuen können wurde untersucht (→ VI.4.2).VI.4.1 Erfahrungen mit SchülernIn der Zeit vom 15.08 - 19.08.2005 wurde an der Technischen Universität München, organisatorischund finanziell unterstützt von UnternehmerTUM 198 , von Intel, von der Eberhard von198 Vgl. Unternehmertum – Zentrum für Innovation und Gründung an der TUM.

VI DIDAKTIK mit RCLs 195Kuenheim Stiftung und vom Arbeitgeberverband Gesamtmetall, in den Schulferien ein Summercampmit 15 Schülern der Klassen 10 bis 13 durchgeführt. Die Schüler waren mit einemEigenanteil von 100 € beteiligt und wurden von zwei Mitgliedern der Arbeitsgruppe 199 , 4 Stipendiatenvon UnternehmerTUM und einem Werkstattleiter betreut.In 4 Gruppen sollten die Schüler nicht voll funktionstüchtig vorbereiteten RCLs Maut, Lichtgeschwindigkeit,Roboter im Labyrinth und Fotoeffekt bearbeiten. Dazu mussten je nachRCL Programmierungen vervollständig, Webseiten erstellt, der Versuch aufgebaut und dieMechanik vervollständigt werden. Ergebnisse wurden am letzten Tag im Deutschen Museumin Form von Postern und Vorträgen der Öffentlichkeit präsentiert.Abb. 81: Präsentation von Zwischenergebnissen in den Räumlichkeiten der Technischen UniversitätMünchen (links). Ein Schüler legt Hand an beim RCL Heißer Draht (rechts).Zur Frage nach der Realisierbarkeit eines Selbstbaus von RCLs durch Schüler können anhandder durchgeführten Abschlussbefragung 200 , der Feedbackgespräche 201 und Gesprächenmit den durchführenden Mitgliedern der Arbeitsgruppe folgende Erfahrungen festgehaltenwerden:• Das Zustandekommen des Summercamps in den Sommerferien unter finanzieller Beteiligungder Eltern zeigt das Interesse am Selbstbau von RCLs.• Die Schüler schätzen Lernerautonomie, Komplexität der Aufgabestellung, Notwendigkeitzur Zusammenarbeit und erkennen vorhandene Kompetenzen von Gruppenmitgliedernan.• Der hohe Vorbereitungsaufwand und die Nachbereitung der RCLs durch Mitglieder derArbeitsgruppe zeigt, dass eine Woche zur Durchführung eines Summercamps nicht ausreicht.• Die Kombination von Physik und Technik beim Selbstbau von RCLs ist reizvoll, aber überfordertin einer Woche manche Schüler. Sowohl die Umsetzung von physikalischen Inhal-199 H.-J. Jodl und M. Vetter.200 Vgl. Technische Universität München Summercamp 2005, Abschlussbefragung.201 Vgl. Technische Universität München Summercamp 2005, Zusammenfassung der Feedbackgespräche.

VI DIDAKTIK mit RCLs 196ten in ein Experiment als auch die technische Realisation eines RCLs stellen hohe Anforderungenan Lehrende und Lernende.• Der offene Austausch von Beobachtungen, Erkenntnissen und Meinungen unter den Betreuern,Organisatoren und Schülern in der Abschlussbefragung, den Feedbackgesprächenund den Gesprächen mit den Betreuern beeindruckt und zeigt die Innovationskraftderartiger Projekte.VI.4.2 Befragung von LehrkräftenAuf 5 Fortbildungen (→ VII.3) wurde anhand eines Fragebogens untersucht, inwieweit Lehrkräftemotiviert und in der Lage sind den Selbstbau von RCLs durch Schüler zu betreuen (→Anhang X.14). Auf die Frage "Wie hoch ist Ihr Interesse mit Schülern einen Nachbau oderNeubau eines RCLs zu realisieren?" antworteten von 101 Lehrkräften auf einer Antwortskalazwischen -2 (gar kein Interesse) und +2 (hohes Interesse) 40,6 % mit -2, 10,9 % mit -1, 23,8% mit 0, 11,8 % mit +1 und 12,9 % mit +2. Der Mittelwert liegt bei -0,55. Die Lehrkräfte wurdendanach gefragt, ob sie keine Unterstützung, eine schriftliche Anleitung oder eine Fortbildungfür Fähigkeiten zum Selbstbau von RCLs benötigen. Abb. 82 zeigt das Ergebnis:Abb. 82: Selbsteinschätzung von Lehrkräften zu Fähigkeiten und Fertigkeitendes Selbstbaus von RCLs (N = 101 Lehrkräfte).In den mehr RCL-spezifischen Fähigkeiten Sensoren und Aktoren, Mikrocontroller-Programmierung und PHP-Programmierung benötigen jeweils nur ungefähr 9 % der Lehrkräftekeine Unterstützung. Für die Betreuung eines Selbstbaus von RCLs sollten diesedrei Fähigkeiten gemeinsam vorhanden sein: 4 % der Lehrkräfte brauchen für keine derdrei Fähigkeiten Unterstützung, 47 % brauchen höchstens drei schriftliche Anleitungenund 49 % brauchen mindestens in einer Fähigkeit eine Fortbildung. Der hohe Anteil anLehrkräften ohne RCL-spezifische Fähigkeiten ist darauf zurückzuführen, dass diese Fä-

VI DIDAKTIK mit RCLs 197higkeiten nicht Bestandteil der Ausbildung von Lehrkräften für das Lehramt an Gymnasiensind und nur ein geringer Teil der Physiklehrkräfte auch Informatik unterrichtet.Überraschenderweise benötigt auch ein hoher Anteil der Lehrkräfte bei den mehr RCLunspezifischenFähigkeiten HTML, Platinenbestückung und mechanischer Aufbau Unterstützung.Im Gesamtergebnis existiert nur ein verschwindend geringer Anteil Lehrkräfte,der sofort in der Lage wäre Schüler beim Selbstbau von RCLs zu betreuen. Zumindestungefähr 10 % der Lehrkräfte sind dazu besonders motiviert.VI.5 ZusammenfassungRCLs erzielen im Vergleich zu den videobasierten Messvideo, Videoanalyse und interaktivesBildschirmexperiment die höchste Interaktivität und Authentizität zum traditionellen Realexperiment.Messdaten werden in Echtzeit gewonnen, Experimente können mehrfach durchgeführtund statistische Aussagen anhand der Messdaten gemacht werden. Komplexere Experimentekönnen nicht als interaktives Bildschirmexperiment abgebildet werden und sind keineAlternative zu RCLs.RCLs können als Realexperiment in und außerhalb von Unterrichtszeiten von Lehrkräftenund Schülern eingesetzt werden. Am bedeutsamsten ist die Nutzung von RCLs außerhalbdes Unterrichts durch Schüler. Quantitative Realexperimente die bisher nur von der Lehrkraftals Demonstrationsexperiment durchgeführt wurden, können nun als RCL von Schülerndurchgeführt werden. Vorteile für das Lernen aus Experimenten mit RCLs gegenüber demDemonstrationsexperiment ergeben sich aus dem zeitlich ungebundenen Experimentierenund der Wahl der Sozialform (alleine, zu zweit und in Kleingruppen) beim Experimentieren.Potentielle Nachteile von RCLs wie nur ein Schüler kann auf das RCL zugreifen, die fehlendefachliche Betreuung beim Experimentieren außerhalb von Unterrichtszeiten und die Unveränderbarkeitdes Versuchsaufbaus kommen durch methodisch-organisatorische Maßnahmenund eine gute Konzeption von RCLs nur wenig zum Tragen.Als Lernumgebungen von RCLs können kognitive Werkzeuge, Simulationen, Standard-Lernumgebungen, Aufgabensammlungen und Tutorials eingesetzt werden. Kognitive Werkzeugewie z. B. Tabellenkalkulation oder Computeralgebrasysteme sind zunehmend verbreitetim Mathematik- und Physikunterricht. Nicht zu jedem RCL können passende und qualitativgute Simulation im Internet gefunden werden. Die Standard-Lernumgebung der RCLs desRCL-Portals ist eine webangepasste Fassung klassischer Versuchsanleitungen traditionellerPraktika an Hochschulen. Für 6 RCLs des RCL-Portals stehen umfangreiche Aufgabensammlungenmit Lösungen und einem hohen Anteil experimenteller Fragestellungen bereit.Für umfangreichere RCLs wie die Optische Fourier-Transformation, Beugung und InterferenzII und Optische Computertomographie sind Tutorials sinnvoll mit denen Schüler und Studierendephysikalische Inhalte im Selbststudium erlernen können.

VI DIDAKTIK mit RCLs 198Für die Sekundarstufe II wird ein von Demonstrationsexperimenten und RCLs experimentellgetragener Unterricht empfohlen. Schüler sollen zu Beginn der Sekundarstufe II in experimentelleFachmethoden eingeführt werden, um möglichst eigenständig mit RCLs außerhalbdes Unterrichts experimentieren zu können. Die bevorzugte Sozialform sind dauerhaft in undaußerhalb des Unterrichts zusammenarbeitende Kleingruppen. In der Kleingruppe könnenper digitaler Kommunikation Messergebnisse gesammelt, gemeinsam ausgewertet und inden Unterricht eingebracht werden. Veränderungen gegenüber einem traditionellen Unterrichtohne RCLs und Kleingruppen liegen in der größeren inhaltlichen und methodischen Bedeutungvon Hausaufgaben mit RCLs, in einem höheren Anteil von Schülern getragener Unterrichtszeitund in der Vorbereitung auf berufliche Arbeitsformen.Ein Spektrum von 10 Lehr-Lernformen mit RCLs wie z. B. experimentellen Hausaufgaben,Experimentalvorträge, Blended Learning, Lernzirkel und Selbststudium und insgesamt 17Varianten zeigt, dass RCLs in vielfältiger Weise in den Unterricht integriert werden können.Die Varianten werden nach dem Schüler oder der Lehrkraft als Experimentator und danachob im oder außerhalb des Unterrichts mit RCLs experimentiert wird unterschieden.Lehr-Lernformen bzw. Varianten werden in einer ungefähr 5-stündigen Unterrichtseinheit zurBreitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung für einen Leistungskurs mit dem RCL Weltpendeleingesetzt. Ziel der Unterrichtseinheit ist, dass Schüler die Breitengradabhängigkeitder Erdbeschleunigung mit dem RCL Weltpendel messen, die zum Messen erforderlicheGenauigkeit eines Pendels erkennen, möglichst eigenständig das Phänomen qualitativ erklärenund lernen es teilweise quantitativ zu beschreiben.Ein 2005 durchgeführtes einwöchiges Summercamp zeigt das Potential und die Problemeeines Selbstbaus von RCLs durch Schüler. Eine Befragung von Lehrkräften auf Fortbildungenzu RCLs zeigt, dass weniger als ungefähr 5 % der Lehrkräfte inhaltlich in der Lage isteine Arbeitsgemeinschaft zum Selbstbau von RCLs an Schulen zu führen.

VII VERBREITUNG von RCLs 199VII VERBREITUNG von RCLsDas RCL-Projekt gehört mit einer Laufzeit von fast 10 Jahren zu den nachhaltigsten RCL-Projekten (← II.6). Anzahl und Qualität der RCLs des RCL-Portals lagen bisher im Mittelüber der anderer RCL-Projekte (← III.1.2, ← III.2.1). Allein dies genügt nicht, um RCLs alsLernmedium hinreichend bekannt oder den Einsatz von RCLs in der Lehre voranzutreiben.Deshalb wurden im RCL-Projekt drei Kommunikationswege zur Verbreitung von RCLs beschritten:Wissenschaftliche Kommunikation über Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge,Vorträge und Poster (→ VII.1), Beiträge zum Unterrichtseinsatz von RCLs im SchulportalLehrer-Online des Vereins Schulen ans Netz (→ VII.2) und Fortbildungen sowie Workshops(→ VII.3).VII.1 Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge, Vorträge und PosterArtikel in Fachzeitschriften und Konferenzbeiträge tragen unter Physikern und Physikdidaktikernzur Verbreitung von RCLs bei, indem aktuelle Entwicklungen des RCL-Projekts vermitteltund die wissenschaftliche Qualität des RCL-Projekts dokumentiert wird. Mit Vorträgenund Postern auf Konferenzen wird in mündlicher Form über den aktuellen Stand des RCL-Projekts informiert und Öffentlichkeitsarbeit betrieben. Gegenüber der Kommunikation reinphysikalischer Forschungsergebnisse ist dazu auch eine Präsenz auf mehreren Konferenzenzum gleichen Thema sinnvoll. Tab. 46 gibt eine Übersicht zu Veröffentlichungen und Vorträgensowie zu Staatsexamensarbeiten und Lehrer-Online-Beiträgen (→ VII.2) im RCL-Projektseit 2004 (→ Anhang X.7):Nr.RCLZeitschriftenartikel (e)Zeitschriftenartikel (d)Konferenzbeiträge (e)Konferenzbeiträge (d)Vorträge (e)Vorträge (d)Poster (e)Poster (d)Gesamt (e/d)Staatsexamensarbeiten (d)Lehrer-Online-Beiträge (d)Gesamt0 Projekt 4 2 1 2 2 5 3 7/12 1 201 Beugung und Interferenz I * 1 1/0 0,5** 1,52 Beugung und Interferenz II 1 1 1 1 1 1/4 1 1 73 Elektronenbeugung 0 1 14 Fotoeffekt 1 0/1 1 25 Halbleiterkennlinien 0 0,5** 0,56 Heißer Draht 0 07 Lichtgeschwindigkeit 1 1 1 1/2 1 48 Maut 0 09 Millikan-Versuch 1 1 0/2 1 1 410 Optische Computertomographie 0 1,5** 1,511 Optische Fourier-Transformation 1 1/0 1 212 Oszilloskop 0 0,5** 0,5

VII VERBREITUNG von RCLs 20013 Radioaktivität 1 0/1 1 214 Roboter im Labyrinth 0 015 Rutherfordscher Streuversuch 1 1 1 2/1 1 1 516 Weltpendel 1 1 1 2 4/1 1 1 717 Windkanal 0 1 1 218 Optische Kristallographie 1 2 2 4/1 1 6Gesamt 7 9 5 4 7 8 2 4 21/25 11 9 66Tab. 46: Anzahl der Zeitschriftenartikel, Konferenzbeiträge, Vorträge, Poster, Staatsexamensarbeitenund Lehrer-Online-Beiträge im RCL-Projekt zwischen 2004 und 2010. * Angabenbeziehen sich auf das baugleiche Vorgänger-RCL, ** RCLs in Staatsexamensarbeitenmit zwei RCLs.Die 11 Staatsexamensarbeiten haben als fachbereichsinterne Schriften zur Verbreitung vonRCLs nicht beigetragen. Es wurden ungefähr gleich viele wissenschaftliche Beiträge inDeutsch (d) und Englisch (e) veröffentlicht. Unter den Postern befinden sich zwei interaktivePoster. 19 bzw. 40 % der 46 wissenschaftlichen Beiträge thematisieren das RCL-Projekt, dieanderen Beiträge behandeln einzelne RCLs:• Basisartikel zum RCL-ProjektUnter den 19 Beiträgen zum RCL-Projekt werden in drei englischen, referierten Zeitschriftenartikelndie wesentlichen Merkmale des RCL-Projekts dargestellt: Begründung desRCL-Projekts im Rahmen der zunehmenden Fernlehre an Universitäten, zentrale Bedeutungdes Experiments in der Physiklehre, RCL-Prinzip, Qualitätsmerkmale von RCLs, Ergebnisseweltweiter RCL-Recherchen, kurze Beschreibungen neu entwickelter RCLs,Weiterentwicklungen in der RCL-Technik, Auswahl von geeigneten Experimenten fürRCLs, Besucherzahlen von RCLs und Beschreibung der Standard-Lernumgebung vonRCLs.• Zeitschriftenartikel zu einzelnen RCLsEinzelne RCLs werden in insgesamt 26 wissenschaftlichen Beiträgen thematisiert, davon3 in der Zeitschrift European Journal of Physics und 7 in der Lehrerzeitschrift Praxis derNaturwissenschaften - Physik in der Schule. Die deutschsprachigen Veröffentlichungensind erfolgt, weil ungefähr 85 % der Besuche aus Deutschland kommen (← I.5.3, Besuchenach Ländern) und deutsche Lehrkräfte in der Regel keine englischsprachigen Zeitschriftenlesen. Die Zeitschriftenartikel zu einzelnen RCLs sind einheitlich strukturiert: Begründungwarum der Versuch als RCL gewählt wurde, Beschreibung des RCLs, Interaktivitätund Messergebnisse des RCLs, Mehrwert des RCLs und Vorschläge zum Einsatzdes RCLs in der Lehre. Derzeit sind drei weitere Manuskripte zu den RCLs Beugung undInterferenz II, Millikan-Versuch und Radioaktivität und für European Journal of Physics inArbeit.Im RCL-Projekt wurden zwischen 2004 und 2010 zusammen mit den Staatsexamensarbeitenund Lehrer-Online-Beiträgen insgesamt 66 Beiträge und damit ungefähr 10 Beiträge/Jahrveröffentlicht.

VII VERBREITUNG von RCLs 201VII.2 Beiträge im Bildungsportal Lehrer-OnlineDas RCL-Portal bietet RCLs und physikalische Inhalte zu RCLs in den Standard-Lernumgebungen, aber keine auf deutsche Lehrkräfte an Gymnasien zugeschnittenen Materialienfür den Unterrichtseinsatz von RCLs an. Deshalb wurde ein möglichst bekanntes Bildungsportalzum Angebot solcher Materialien sowie zur Steigerung des Bekanntheitsgradesund des Unterrichtseinsatzes von RCLs gesucht. Die Einschränkung auf den deutschsprachigenRaum erfolgte, weil ungefähr 85 % der Besuche aus Deutschland kommen und dieMaterialien auf Fortbildungen deutscher Lehrkräfte eingesetzt werden (→ VII.3).VII.2.1 Auswahl des BildungsportalsBenötigt wird ein Physik-Portal oder Fachportal Physik mit Sekundarstufe II als Zielgruppe,kostenlosem Zugang zu Unterrichtsmaterial ohne Registrierung, hohem Bekanntheitsgradunter den deutschen Lehrkräften, Fokus auf dem Einsatz digitaler Medien im Unterricht,langfristig gesicherter Existenz durch personelle und finanzielle Ressourcen und redaktionellerBearbeitung von Beiträgen.Naheliegend war in 2006 das Portal der damaligen Bildungsinitiative "Intel Lehren - Aufbaukursonline" 202 des damaligen Kooperationspartners Intel zu nutzen. Teil der Initiative ist dieUmsetzung von Unterrichtseinheiten mit digitalen Medien der Lehrkräfte auf gemeinsamenSitzungen eines Redaktionsteams und der Lehrkräfte in eine vorgegebene Abfolge vonLernschritten und Aktivitäten, Lernpfad genannt. Diese sollen dann von anderen Lehrkräftenals eigene Fortbildung im Unterricht eingesetzt und erprobt werden. Ein Lernpfad zum RCLFotoeffekt 203 zeigte, dass die Anpassung der Unterrichtseinheit an die vorgegebene Strukturder Lernpfade zu einer stark methodisierten Darstellung führt, in der die Inhalte der Unterrichteinheitzu wenig zum Tragen kommen. Deshalb wurde ein anderes Portal gesucht.Reine Physikportale wie z. B. Welt der Physik 204 oder pro-physik.de 205 sind ungeeignet, weildiese auf die populärwissenschaftliche Vermittlung von Forschungsergebnissen oder denZugang zu physikalischen Inhalten über kommentierte und kategorisierte Links (Kataloge)spezialisiert sind. Bildungsserver der Bundesländer mit kleineren Fachportalen zur Physik 206sind wegen der länderspezifischen Ausrichtung und der instabilen redaktionellen Betreuungungeeignet. Der Deutsche Bildungsserver 207 ist als reiner Verweisserver ungeeignet.202 Vgl. Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung Dillingen, Aufbaukurs Online, Webseite http://aufbaukurs.intellehren.devon Intel nicht mehr verfügbar.203 Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung Dillingen, Aufbaukurs Online, Lernpfad Photonenmodell des Lichts miteinem Remotely Controlled Laboratory (RCL), Zugang nach Anmeldung.204 Vgl. Deutsche Physikalische Gesellschaft, Welt der Physik.205 Vgl. Wiley Interscience GmbH, pro-physik.de.206 Vgl. z. B. Bildungsserver Rheinland-Pfalz, Unterrichtsfach Physik.207 Vgl. Deutscher Bildungsserver.

VII VERBREITUNG von RCLs 202Die Ergebnisse einer Benchmarkstudie mit 15 Schul- und Bildungsportalen 208 , die Entwicklungdes Portals Lehrer-Online 209 von Schulen ans Netz e. V. und die Sichtung des FachportalsPhysik 210 in Abb. 83 führten zur Wahl von Lehrer-Online als geeignetsten Portal.Abb. 83: Ausschnitt der Startseite des Fachportals Physik beiLehrer-Online.Lehrer-Online ist das umfangreichste und meistbesuchte Schulportal in Deutschland. WeitereVorteile sind: Der Schwerpunkt des Portals liegt auf der Information und nicht auf derKommunikation, ein Newsletter informiert Besucher über neue Beiträge, viele Referendarenutzen das Angebot zur Vorbereitung von Unterricht und das Redaktionsteam unterstützt Autorensehr gut.VII.2.2 Übersicht und Struktur der BeiträgeÜber den Link "Remotely Controlled Laboratories (RCLs)" in Abb. 83 kann auf die 9, im Zeitraumzwischen April 2008 und Mai 2009 veröffentlichten Beiträge zu RCLs, zugegriffen werden.Tab. 47 zeigt eine Übersicht:208 Vgl. Hron 2006.209 Vgl. Heinen 2007.210 Vgl. Schulen ans Netz e. V., Lehrer-Online, Fachportal Physik.

VII VERBREITUNG von RCLs 203Nr. Beitrag Online seit1 Remotely Controlled Laboratories (RCLs) Juni 20082 Entdeckung des Atomkerns - RCL Rutherfordscher Streuversuch April 20083 Breitengradabhängigkeit von g - RCL Weltpendel Oktober 20084 Aerodynamik von Fahrzeugen - RCL Windkanal Januar 20095 Licht als Fotonenströmung - RCL Fotoeffekt März 20096 Elektron als Welle - RCL Elektronenbeugung April 20097 Beugung am Gitter - RCL Beugung und Interferenz Mai 20098 Quantisierung der Ladung - RCL Millikan-Versuch Mai 20099 Geschwindigkeit von Licht - RCL Lichtgeschwindigkeit Mai 2009Tab. 47: Übersicht der Beiträge zu RCLs bei Lehrer-Online.Abb. 84 zeigt die Startseite zum Beitrag Remotely Controlled Laboratories (RCLs) mit Informationenzum RCL-Prinzip, zu Qualitätskriterien und Mehrwert von RCLs, zum RCL-Portalund zur Einordnung von RCLs unter den Physikmedien:Abb. 84: Ausschnitt der Startseite des Beitrags Remotely ControlledLaboratories (RCLs). 211Von der Startseite aus sind alle 8 weiteren Beiträge zu einzelnen RCLs erreichbar. Tab. 48zeigt die gemeinsame Struktur der Beiträge:211 Vgl. Schulen ans Netz e. V., Lehrer-Online, Remotely Controlled Laboratories (RCLs).

VII VERBREITUNG von RCLs 204• Anleser mit Bild vom RCL und Inhalt des Beitrags• Kompetenzen (Lernziele) der Unterrichtseinheit• Kurzinformationen zur Unterrichtseinheit: Thema, Autor,Zielgruppe, Zeitraum, Technische Voraussetzungen, Software• Zusatzinformationen wie Links und Literatur zum Thema derUnterrichtseinheitStartseite• Download aller Unterrichtsmaterialien in einer Zip-Datei• Didaktisch-Methodischer Kommentar zum Zusammenhangvon Inhalten, Medien und Methoden in der Unterrichtseinheit• Link zum RCL auf dem RCL-Portal• Informationen zum AutorUnterrichtsmaterial• Download der Unterrichtseinheit(en)• Download kommentierter Materialienwie z. B. Aufgabensammlungen undDateien für Programme wie Tabellenkalkulation,Computeralgebrasystemeund ModellbildungUnterrichtseinheit• Struktogramm• Beschreibung der Phasen• Tipps zum UnterrichtSteckbrief• Versuchsaufbau• Laborseite• Experimentiermöglichkeiten• Mehrwert des RCLs• LernpotenzialTab. 48: Struktur der Beiträge zu einzelnen RCLs.Die Startseite bietet mit Anleser, Metadaten, gemeinsamer Materialdownload in einer Dateiund didaktisch-methodischem Kommentar einen Einstieg in die Unterrichtseinheit. Von derStartseite kann auf kommentierte Unterrichtsmaterialien und auf die ausführlich mit Struktogrammenund Phasen beschriebene Unterrichtseinheit zugegriffen werden. Ein Steckbriefdes RCLs dient als Verbindung zum RCL-Portal.VII.2.3 BesucherzahlenIn Abb. 85 sind exemplarisch für den Beitrag Nr. 1 zu RCLs aus Tab. 47 und den Beitrag Nr.2 zum RCL Rutherfordscher Streuversuch aus Tab. 47 die Anzahl der Besuche/Tag für dieMonate zwischen November 2008 und August 2010 dargestellt:Abb. 85: Anzahl der Besuche/Tag zweier Beiträge zu RCLs im Portal Lehrer-Online zwischen November 2008 und August 2010.

VII VERBREITUNG von RCLs 205Besonders beim Beitrag zum RCL Rutherfordscher Streuversuch sind wie beim RCL-Portal(← II.5.2, Abb. 16) Einbrüche der Besuche/Tag in Ferienmonaten zu erkennen. Die über denVeröffentlichungszeitraum gemittelten Besuche/Tag der Beiträge liegen bei 7,7 (RCL Weltpendel),9,5 (Remotely Controlled Laboratories), 10,1 (RCL Windkanal), 10,4 (RCL Beugungund Interferenz II), 11,1 (RCL Lichtgeschwindigkeit), 12,7 (RCL Elektronenbeugung), 13,3(RCL Fotoeffekt) und 16,5 (RCL Rutherfordscher Streuversuch und RCL Millikan-Versuch).Insgesamt sind Lehrkräfte stärker an den Beiträgen zu einzelnen RCLs mit konkreten Unterrichtsmaterialienals am allgemeinen Beitrag zu RCLs interessiert. Die Beiträge zum RCLWeltpendel und zu RCLs haben die wenigsten Besuche/Tag, aber mit 2,3 Seiten/Besuch mitAbstand gegenüber ungefähr 1,5 Seiten/Besuch der anderen Beiträge die meisten Seitenaufrufe.Die durchschnittlich 12 Besuche/Tag aller RCLs liegen über den 10 Besuchen/Tagder Standard-Lernumgebungen von RCLs (← II.5.3, Tab. 7).VII.3 Fortbildungen und WorkshopsEin Ziel des RCL-Projekts war die Entwicklung und das Angebot von Fortbildungen zu RCLsfür Lehrkräfte an Gymnasien. Diese Zielgruppe entspricht dem hohen Anteil von RCLs desRCL-Portals für die Sekundarstufe II (← II.3.1, Tab. 1). Tab. 49 gibt einen Überblick derdurchgeführten zehn eintägigen Fortbildungen (F), und der vier auf Veranstaltungen durchgeführten,maximal dreistündigen Workshops (W) im Zeitraum zwischen Juni 2006 und Mai2010:Nr. Typ Datum Veranstaltung Ort1 F 20.11.06 -2 F07.03. -09.03.073 F 12.09.07 -4 W 15.09.07 EduNetwork 20075 F 05.03.08 -6 F 07.04.08 -7 W 24.09.088 W 25.10.08-3. Fachtagung "Naturwissenschaftenentdecken!"Nationales Scienceon Stage-Festival20089 W 15.01.09 Didaktikzirkel PhysikTechnische UniversitätKaiserslauternAkademie für Lehrerfortbildungund PersonalführungDillingenHeinz-Nixdorf MuseumsforumPaderbornHasso Plattner InstitutPotsdamHeinz-Nixdorf MuseumsforumPaderbornTechnologie- und GründerzentrumKaiserseschGeographisches InstitutUniversität BonnUraniaBerlinUniversitätMainzTeilnehmerzahl24KooperationspartnerLandesmedienzentrumRheinland-Pfalz5 Intel GmbH4151210Verein MINT-ECArbeitgeberverband GesamtmetallVerein MINT-ECArbeitgeberverband GesamtmetallVerein MINT-ECArbeitgeberverband GesamtmetallLandesmedienzentrumRheinland-Pfalz15 Verein Schulen ans Netz1015Verein Science on StageDeutschlandArbeitgeberverband GesamtmetallDidaktik der Physik, UniversitätMainz10 F 25.05.09 - Gymnasium 17 Verein Schulen ans Netz

VII VERBREITUNG von RCLs 20611 F 29.05.09 -12 F 21.09.09 -13 F 19.04.10 -14 F 29.05.10 -IsernhagenSiemensForumMünchenTechnische UniversitätKaiserslauternKlingenberg-OberschuleBerlinSiemensForumMünchen20Verein Schulen ans NetzAkademie Dillingen28 Verein Schulen ans Netz15 Verein Schulen ans Netz23 Verein Schulen ans NetzTab. 49: Durchgeführte Fortbildungen (F) und Workshops (W) auf Veranstaltungen in zeitlicherReihenfolge.Insgesamt haben ungefähr 200 Lehrkräfte an den Fortbildungen und Workshops "RemotelyControlled Laboratories im Physikunterricht der Sekundarstufe II" teilgenommen. Organisatorischoder finanziell unterstützt und wurden die Fortbildungen und Workshops von 6 Kooperationspartnern.Workshops als verkürzte Fortbildungen werden im Folgenden nicht mehrgesondert betrachtet.Im den vier Jahren wurden die inhaltlichen Schwerpunkte und der Fortbildungsverlauf (→VII.3.1, Tab. 50) der steigenden Zahl von RCLs, Lehrer-Online-Beiträgen, Artikeln und Aufgabensammlungensowie den Ergebnissen eines Fragebogens zur Fortbildung (→ AnhangX.14, → VII.3.2.1) und Erfahrungen aus der Fortbildungsdurchführung angepasst (→VII.3.2.2).VII.3.1 Konzeption, Verlauf und OrganisationBei den Inhalten von Fortbildungen zu Lernmedien können drei Stufen mit zunehmendem didaktischemAnspruch unterschieden werden. Spezialisiert auf RCLs sind diese:• Kenntnisse zu und Erfahrungen mit RCLs: Überblick und Zugang zu RCLs auf dem RCL-Portal (← II.3.1), Erfahrungen im Experimentieren mit RCLs, Mehrwert von RCLs (←III.3.1), Struktur und Inhalte der Standard-Lernumgebungen von RCLs (← VI.2.3).• Kenntnisse zum Einsatz von RCLs im Unterricht: Eigenschaften von RCLs als Medium (←VI.1.1) und als Realexperiment (← VI.1.2) sowie Lehr-Lernformen zum kurz-, mittel- undlangfristigen Einsatz von RCLs (← VI.3.2)• Durchführung von Unterricht mit RCLs: Praktische Umsetzung von Inhalten der erstenbeiden Stufen im Physikunterricht.Inhalte der ersten beiden Stufen werden auf der Fortbildung vermittelt, der praktische Einsatzvon RCLs im Physikunterricht durch Lehrkräfte kann dadurch nur vorbereitet und wahrscheinlichergemacht werden. In der Konzeption eintägiger Fortbildungen für Lehrkräfte sindfolgende Randbedingungen zu beachten:

VII VERBREITUNG von RCLs 207• Im Extremfall unterrichtet die Lehrkraft gerade nicht in der Sekundarstufe II, der Fortbildungstagliegt nicht montags oder freitags, Klausuren sind noch zu korrigieren und Unterrichtvorzubereiten. Für einige Lehrkräfte wird ein einzelner Fortbildungstag dann schnellzu einem Tag zum Luftholen. Es bleibt keine Zeit zum Einstellen auf die Fortbildung.• Im Extremfall arbeitet eine Lehrkraft auf der Fortbildung mit RCLs, die erst ein halbes Jahrspäter im Unterricht einsetzt werden können. Erworbene Kenntnisse und entwickelte Motivationaus der Fortbildung können nicht zeitnah genug im Unterricht umgesetzt werden.Eine erste Konsequenz für die Fortbildungskonzeption ist daher, die Fortbildung geistig bereitsvor der Durchführung beginnen zu lassen. Konkret wird das durch Informationen undMaßnahmen in der Fortbildungsausschreibung erreicht:• Anhand der RCLs und den Informationen zum RCL-Projekt auf dem RCL-Portal könnenLehrkräfte über eine Fortbildungsteilnahme entscheiden.• Zur Fortbildungsvorbereitung werden die Lehrkräfte gebeten, den Beitrag Remotely ControlledLaboratories (RCLs) auf Lehrer-Online zu lesen (← VII.2.2, Tab. 47, Nr.1). EineBefragung der Lehrkräfte in den ersten beiden Fortbildungen hat gezeigt, dass ungefähr90 % der Lehrkräfte dem nachkommen und mehr als die Hälfte der Lehrkräfte den gesamtenBeitrag lesen.• Zur Fortbildungsvorbereitung werden die Lehrkräfte gebeten zwei Schwerpunkt-RCLs zuwählen, die möglichst zeitnah nach der Fortbildung im Unterricht eingesetzt werden könnenoder von besonderem Interesse sind.Weiterhin ist zu beachten:• Lehrkräfte als professionell Lehrende haben zu selten Gelegenheit in einer lernförderlichenund entspannten Atmosphäre auch Lernende zu sein.• Als Lehrende sind Lehrkräfte gewohnt, dass Lernende Lerninhalte annehmen oder annehmenmüssen. In der Rolle des Lernenden auf der Fortbildung kann diese Haltung nichtsofort abgelegt werden. Bei zu enger Führung durch den Referenten können Unstimmigkeitenam Fortbildungstag zu einer abwehrenden Lernhaltung oder zur Konfrontation führen.Eine zweite Konsequenz für die Fortbildungskonzeption ist daher, den Lehrkräften in derFortbildungsausschreibung die Fortbildung als Lerntag mit der Möglichkeit in Kleingruppenund eigenständig arbeiten zu können anzubieten. Tagesziel der Fortbildung ist eine 10 - 15-minütige Präsentation jeder Kleingruppe mit Messergebnissen, Mehrwert und Einsatzmöglichkeiteneines RCLs im Physikunterricht. Eigenständiges Arbeiten der Lehrkräfte wird durchfolgende Fortbildungsgestaltung möglich:• Der Referent führt zu Beginn in das RCL-Portal und an einem Beispiel in das Experimentierenmit RCLs sowie den Mehrwert und die Einsatzmöglichkeiten von RCLs ein.

VII VERBREITUNG von RCLs 208Dadurch wird ein einheitlicher anfänglicher Kenntnisstand unabhängig von der Qualitätder Vorbereitung der Lehrkräfte auf die Fortbildung erzielt.• Die Lehrkräfte werden entsprechend der Wahl von Schwerpunkt-RCLs in Kleingruppen zujedem RCL eingeteilt. Die Gesamtzeit der Präsentationen bleibt bei Begrenzung der Teilnehmerzahlauf ungefähr 15 Lehrkräfte im zeitlichen Rahmen.• Den Lehrkräften werden zu Beginn die weiteren Lehrer-Online-Beiträge (← VII.2.2, Tab.47) und die Veröffentlichungen zu einzelnen RCLs auf dem RCL-Portal 212 als Informationsquellenvorgestellt. Die Lehrkräfte erhalten eine Liste mit den Bereichen spezifischerMehrwerte von RCLs (← III.3.1) und eine Übersicht zu Lehr-Lernformen von RCLs imPhysikunterricht (← VII.3.2, Tab. 44) ohne die Angabe welche Lehr-Lernform besondersfür welches RCL geeignet ist. Die Kleingruppen konkretisieren diese Informationen für dasgewählte RCL und die Präsentation.• Am Vormittag des Fortbildungstags liegt der Schwerpunkt auf der ersten Inhaltsstufe, amNachmittag auf der zweiten Inhaltsstufe. Der Vormittag schließt mit einem Kurzbericht derKleingruppen zum Arbeitsstand ab.• Kleingruppen mit frühzeitig fertig gestellter Präsentation, erhalten je nach verfügbarer Zeitausgefüllte oder unvollständige Listen mit Vor- und Nachteilen von RCLs (← VI.1.2, Tab.38, ← VI.1.3, Tab. 39) zur eigenen Bearbeitung.In Tab. 50 ist der zeitliche und inhaltliche Verlauf der Fortbildung weiter konkretisiert und angegeben,ob der Referent (R), die Teilnehmer (T) oder die Teilnehmer und der Referent(T/R) aktiv sind:Nr. Zeit Akteur Inhalt1 09:00 - 09:20RTR• Begrüßung und Vorstellung• Vorstellung der Teilnehmer (Name, Schule, Fächer, Tätigkeit)• Fortbildungsziel, geplanter Tagesverlauf, Tagesziel Präsentation (max. 15 min).R • Einführung ins RCL-Portal• Experimentieren, Mehrwert und Einsatzmöglichkeiten am Beispiel eines RCLs2 09:20 - 10:00R • Vorstellung der Materialien (Lehrer-Online-Beiträge, Zeitschriftenartikel, Mehrwerte,Lehr-Lernformen mit RCLs, Vor- und Nachteile von RCLs)T/R• Inhalte der Präsentation• Bildung von Kleingruppen und Zuordnung der gewählten RCLs3 10:00 -12:15TR• Experimentieren mit RCLs, Standard-Lernumgebung zu RCLs, Mehrwert von RCLs• Anregungen und Hilfestellungen geben, Fragen beantworten, informieren an wasKleingruppen gerade arbeiten4 12:15 - 12:30 T • Kurzbericht der Kleingruppen zum Arbeitsstand5 12:30 - 13:30 T/R • Mittagessen6 13:30 - 15:30TR• Lehr-Lernformen mit RCLs im Unterricht, Vor-und Nachteile von RCLs• Anregungen und Hilfestellungen geben, Fragen beantworten, informieren an wasKleingruppen gerade arbeiten7 15:30 - 16:30 T/R • Präsentation der Ergebnisse8 16:30 - 17:00TT/R• Fragebogen• Rückmeldungen zu Inhalt und Verlauf der Fortbildung212 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, RCL-Portal unter RCL-Projekt/2. Veröffentlichungen.

VII VERBREITUNG von RCLs 209R• Ausgabe von RCL-Flyern, Werbematerial des Kooperationspartners und FortbildungsbescheinigungenTab. 50: Zeitlicher und inhaltlicher Verlauf der Fortbildung.Der Tab. 51 sind als Checkliste die organisatorischen Tätigkeiten zur Vorbereitung der Fortbildungzu entnehmen. Den Teilnehmern ist nach der Fortbildung das Ergebnis der Befragungzur Fortbildung zuzusenden.AusschreibungAnmeldung undEinladungsschreibenVeranstaltungsraumundTechnikVerpflegungMaterialienTätigkeiten• Kooperationspartner lässt Fortbildung auch in den Bundesländern als Fortbildung anerkennen undausschreiben.• Organisation: Ausschreibung mindestens einen Monat vor der Veranstaltung mit Titel "RemotelyControlled Laboratories (RCLs) im Physikunterricht der Sekundarstufe II", Veranstaltungsort, Zeit09:00 - 17:00 Uhr, Teilnehmerzahl auf 15 begrenzt, Reise- und Verpflegungskosten tragen Teilnehmerje nach Regelung des Bundeslandes, Anfahrtskizze.• Fortbildungsinhalt: Angabe von Inhalt und Ziel der Fortbildung, Angabe von Informationsmaterial(RCL-Portal, Lehrer-Online-Beitrag zu RCLs) zur Entscheidung der Teilnahme und Vorbereitungder Lehrkräfte, Wahl zweier Schwerpunkt-RCLs.• Material: Teilnehmer bringen Taschenrechner, Oberstufenlehrbuch oder Experimentalphysik-Hochschullehrbuch und optional Notebook/USB-Stick mit.• Anmeldung: Entweder nur über die Bundesländer oder nur über den Kooperationspartner, Teilnehmergeben bei Anmeldung an, ob sie das eigene Notebook mitbringen.• Einladungsschreiben: Enthält alle Punkte der Ausschreibung.• Veranstaltungsraum: Ausschilderung an der Institution, ausreichende Größe für alle Teilnehmer,gute Projektionsmöglichkeit.• Absprache mit Netzwerk-Administrator vor Ort: W-LAN vorhanden? Private Notebooks problemlosintegrierbar ins Netz? Alle notwendigen Ports freigeschaltet? Netzwerk hinreichend belastbar undschnell (mindestens DSL 2000)? Passwörter von Computern?• Funktionstüchtigkeit der RCLs: Check ungefähr eine Woche vor der Fortbildung, um Fehler nochrechtzeitig beheben zu können.• Kaffee und kalte Getränke: Sollten vom Kooperationspartner oder der Institution gesponsert werden.• Mittagessen: Innerhalb der Institution möglich? Zu Fuß erreichbares Lokal? Vorbestellung erforderlich?• Kopien (Anzahl): Anwesenheitsliste mit Name, E-Mailadresse, Schule (1), RCL-Flyer (3 x 20), Fragebogen(20), Liste mit Mehrwerten von RCLs (20), Liste mit Vor- und Nachteilen von RCLs (20),Lehr-Lernformen mit RCLs (20), Teilnahmebescheinigungen der Teilnehmer (15)• Laserpointer• Werbematerial des KooperationspartnersTab. 51: Organisatorische Tätigkeiten zur Vorbereitung der Fortbildung.VII.3.2 Evaluation der FortbildungVII.3.2.1 Ergebnisse des FragebogensDie folgenden Ergebnisse basieren auf einer Befragung der Teilnehmer von der 4 FortbildungenNr. 10 -13 aus Tab. 49 mittels eines Fragebogens (→ Anhang X.14):• FortbildungsbedarfAuf die Frage nach dem Bekanntheitsgrad von RCLs vor der Fortbildung antworteten von77 Lehrkräften 38 % mit "gar nicht", 48 % mit "davon gehört", 13 % mit "damit experimen-

VII VERBREITUNG von RCLs 210tiert" und 1 % mit "im Unterricht eingesetzt". Dies und die Teilnehmerzahlen der letztenfünf Fortbildungen zeigen, dass nach wie vor ein Fortbildungsbedarf für RCLs besteht.• Umfang und Qualität des Experimentierens mit RCLsAuf den Fortbildungen wurde im Mittel mit 33 % der RCLs des RCL-Portals nicht experimentiert,bei 7 % der RCLs haben Lehrkräfte beim Experimentieren anderer Lehrkräftezugesehen, mit 37 % der RCLs des RCL-Portals wurde qualitativ und mit 23 % quantitativexperimentiert.• Qualität der FortbildungAbb. 86 zeigt die abschließende Beurteilung der Qualität der Fortbildung durch die Lehrkräfte.Auf einer Antwortskala -2, -1, 0, +1, +2 konnte angegeben werden, in welchemUmfang Qualitätskriterien für Fortbildung erfüllt wurden:Abb. 86: Beurteilung der Qualität der Fortbildung zu RCLs durch dieLehrkräfte.Die Mittelwerte zwischen 0,9 und 1,7 der Qualitätskriterien zeigen die gute bis sehr guteQualität der Fortbildung. Die ersten vier am besten bewerteten Kriterien zeigen die sehrgute Lern- und Arbeitsatmosphäre auf den Fortbildungen. Der Mittelwert des Qualitätskriteriums"Motivation RCL-Unterrichtseinsatz" zeigt, dass die Fortbildung Voraussetzungenfür einen Einsatz von RCLs im Unterricht geschaffen hat.

VII VERBREITUNG von RCLs 211VII.3.2.2 Optimierung der FortbildungIm Laufe der Fortbildung wurden folgende Einsichten gewonnen und Optimierungen durchgeführt:• Erfahrungen zeigten, dass ein Vortrag des Referenten zu Lehr-Lernformen mit RCLs imPhysikunterricht die Fortbildungsteilnehmer "erschlägt". Deshalb wurden die Inhalte desVortrags in Form von den Teilnehmern zu verarbeitendes Informationsmaterial vermittelt.• Ein noch größerer Bezug zum Unterricht durch Erstellung von Unterrichtsskizzen oder Unterrichtseinheitenzum Einsatz von RCLs war in der eintägigen Fortbildung wegen desZeitaufwands nicht realisierbar.• Anfänglich durchgeführte Befragungen zur Nutzerfreundlichkeit und Funktionalität vonRCLs in der Fortbildung waren wenig aussagekräftig, da diese nicht unter kontrolliertenBedingungen durchgeführt werden.• Ein zu Beginn der Fortbildungen 2006 zur Vorbereitung der Lehrkräfte eingesetzter Reader"RCL als Physikmedium" 213 wurde 2008 durch den besseren Lehrer-Online-Beitrag zuRCLs ersetzt. Dieser sollte überarbeitet und als pdf-Dokument zum Download verfügbarsein.• Fragen zur Betreuung des Selbstbaus von RCLs brauchen im Fragebogen nicht mehr gestelltzu werden, weil das Ergebnis eindeutig ist (← VI.4.2). Stattdessen sollten Fragenzum bisherigen Medieneinsatz der Lehrkräfte im Unterricht und differenziertere Fragenzum Ablauf und den Inhalten der Fortbildung gestellt werden.• Auf den ersten Fortbildungen haben die Lehrkräfte einen zweiten Fragebogen zum Einsatzvon RCLs im eigenen Physikunterricht erhalten, der etwa zwei Monate nach derFortbildung zurückgesendet werden sollte. Damit sollte die Transferwirkung der Fortbildungüberprüft werden. Da die Rücklaufquote unter 10 % lag, wurde der Fragebogen beiweiteren Fortbildungen nicht mehr eingesetzt.• Ein anfänglich geplantes Netzwerk von RCL-Lehrkräften aus den an Fortbildungen teilnehmendenLehrkräften wurde nicht realisiert, weil die Vorteile eines solchen Netzwerksfür die Lehrkräfte zu gering und der erforderliche Aufwand zu groß war.VII.4 ZusammenfassungSeit 2004 wurden im Rahmen des RCL-Projekts 16 Zeitschriftenartikel und 9 Konferenzbeiträgeveröffentlicht, 15 Vorträge gehalten, 6 Poster präsentiert, 11 Staatsexamensarbeitenangefertigt, 9 Beiträge bei Lehrer-Online veröffentlicht sowie 10 Fortbildungen und 6 Workshopsdurchgeführt. Innerhalb von 6 Jahren haben 82 Beiträge zur Verbreitung von RCLs213 Vgl. RCL-Portal unter RCL-Projekt/5. Lehrerkurse, Tab. 3.

VII VERBREITUNG von RCLs 212beigetragen, das sind etwas mehr als ein Betrag/Monat. Dies zeigt mit welcher Kontinuitätund Vielfalt das RCL-Projekt in der Öffentlichkeit vertreten wurde.Mit Lehrer-Online wurde ein sehr gut geeignetes deutsches Portal gefunden, um RCLs stärkerunter den Lehrkräften bekannt zu machen und Materialien zum Unterrichtseinsatz anzubieten.Im Durchschnitt wird jeder Beitrag an einem Tag 12-mal besucht, insgesamt sind dasüber 100 Besuche der RCL-Beiträge/Tag. Dies deutet darauf hin, dass die Beiträge für Lehrkräfteim Unterrichtsalltag von Nutzen sind, wobei Lehrkräfte die 8 Beiträge zu einzelnenRCLs dem allgemeinen Beitrag zu RCLs vorziehen.Insgesamt haben über 200 Lehrkräfte an den Workshops bzw. den eintägigen Fortbildungen"Remotely Controlled Laboratories im Physikunterricht der Sekundarstufe II" teilgenommen.Aus der mehrfachen Durchführung ist eine konzeptionell ausgereifte Fortbildung entstanden.Die teilnehmenden Lehrkräfte entwickelten auf den Fortbildungen stets eine hohe Eigenaktivitätund bescheinigen der Fortbildung in vielen Punkten hohe Qualität. Die Teilnehmerzahlenund dass nur etwa 1 % der teilnehmenden Lehrkräfte vor der Fortbildung RCLs im Unterrichteingesetzt haben, zeigt den anhaltenden Fortbildungsbedarf für RCLs.Veröffentlichungen zu RCLs und zum RCL-Projekt in den englischsprachigen ZeitschriftenEuropean Journal Physics, American Journal Physics und American Journal of DistanceEducation haben zur wissenschaftlichen Reputation des RCL-Projekts, aber nicht zur Verbreitungvon RCLs in Nordamerika oder England beigetragen: 83 % der Besuche kommenaus Deutschland, 3 % der Besuche kommen aus Nordamerika und 0,5 % aus England (→Anhang X.8). Analog zur Veröffentlichung von RCL-Artikeln in der deutschsprachigen Zeitschrift"Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule" für Lehrkräfte sollten Artikel z.B. in der amerikanischen Zeitschrift "The Physics Teacher" für Lehrkräfte publiziert werden.Weitere Maßnahmen zur Steigerung der Verbreitung von RCLs können sein:• Zielgruppe bisheriger Fortbildungen zu RCLs waren allgemein Lehrkräfte an Gymnasien.Eine Fortbildung zu RCLs für Physikfachleiter an Studienseminaren hat den Vorteil, dassdiese Zielgruppe sich von berufswegen mit neueren didaktischen Entwicklungen befasstund durch die Ausbildung von Referendaren als Multiplikator wirkt. Die Fortbildung solltezweitägig angeboten werden, um Lehr-Lernformen umfassender zu thematisieren und einBrainstorming zu Ideen für Staatsexamensarbeiten von Referendaren zum Unterrichtseinsatzvon RCLs durchzuführen. Den Physikfachleitern bzw. Studienseminaren sollte angebotenwerden Staatsexamensarbeiten in anonymisierter Form auf dem RCL-Portal zumDownload anzubieten.• Bisher sind RCLs in den vier europäischen Sprachen Deutsch, Englisch, Italienisch undFranzösisch verfügbar. Die Übersetzung der Standard-Lernumgebungen in weitere weltweithäufig gesprochene Sprachen wie Spanisch, Chinesisch und Russisch sollte für eininhaltlich geeignetes RCL in jeder Sprache durchgeführt, die Besucherzahlen erfasst unddann über weitere Übersetzungen entschieden werden.

VII VERBREITUNG von RCLs 213• Die freie Enzyklopädie Wikipedia gehört zu den am meisten besuchten Webseiten auf derWelt. Bisher existiert auf Wikipedia zu RCLs nur ein nicht mehr aktueller kurzer Beitrag 214 ,der durch einen systematischeren und ausführlicheren Beitrag mit Link zum RCL-Portalersetzt werden sollte.• Eine weitere Maßnahme ist die Verbreitung von RCLs über ein an Lehrkräfte gerichtetesBuch zu RCLs (→ VIII.1.1).214 Vgl. Wikipedia, Webexperiment.

VIII AUSBLICK 214VIII AUSBLICKEs werden bereits begonnene Weiterführungen des RCL-Projekts vorgestellt: Eine, die mitvorhandenen Finanzmitteln den Status quo der RCLs sichert (→ VIII.1.1) und eine in derWissen und Erfahrungen des RCL-Projekts in ein großes EU-Projekt einfließen (→ VIII.1.2).Die Konzeption eines im EU-Projekt umsetzbaren Buchungssystems für RCLs wird beschrieben(→ VIII.2).Aus einer erweiterten Sicht auf die Entwicklung von RCLs heraus werden Vorschläge zumEinsatz von RCLs in der Fern- (→ VIII.3.1) und Präsenzlehre (→ VIII.3.2, → VIII.3.3) anSchulen und Hochschulen (→ VIII.3.4) gemacht. Forschungsfragen zur empirischen Untersuchungdes Lehren und Lernens mit RCLs werden formuliert (→ VIII.4.1), von denen einTeil mit dem Besucher-Tracking als Forschungsinstrument beantwortet werden können (→VIII.4.2). Erfahrungen aus dem Summercamp (← VI.4.1) werden in zwei neue Organisationsformendes Selbstbaus von RCLs durch Arbeitsgemeinschaften an Schulen (→ VIII.5.1) unddurch begabte Schüler (→ VIII.5.2) umgesetzt.VIII.1 Weiterführung des RCL-ProjektsVIII.1.1 Nationale LösungDie nationale Lösung hat zum Ziel den Status quo des RCL-Projekts nach 2010 mindestensaufrechtzuerhalten und für Besucher des RCL-Portals die Funktionsfähigkeit der RCLs weiterhinsicherzustellen. Eine Weiterführung des RCL-Projekts unter der Leitung des LehrstuhlsDidaktik der Physik an der Ludwig-Maximilian-Universität 215 in München und in Kooperationmit der Hochschule der Bundeswehr in München 216 und der Arbeitsgruppe Didaktik derPhysik an der Technischen Universität Kaiserslautern umfasst folgende geplanten Aktivitäten:• Von den Sponsoren Intel und Arbeitgeberverband Gesamtmetall konnten weitere Finanzmitteldurch regelmäßige Berichte zu Besucherzahlen des RCL-Portals, durch Maßnahmenzur Verbreitung von RCLs (← VII) und durch Argumentation mit bereits investiertenGeldern und der Nachhaltigkeit des RCL-Projekts eingeworben werden.• Reparaturen von RCLs mit Fahrten zu den Standorten. Auch größere Reparaturen undder Totalausfall teurerer physikalischer Geräte sind durch die Finanzmittel abgedeckt.• Implementation weiterer Übersetzungen der Standard-Lernumgebungen von RCLs imRCL-Portal.• Weiterführung der Funktionstest RCLs des RCL-Portals (← III.1.1.1).215 Vgl. Ludwig-Maximilian-Universität München, Arbeitsgruppe Didaktik der Physik.216 Vgl. Universität der Bundeswehr München, Arbeitsgruppe Operations Research.

VIII AUSBLICK 215• Zentralisierung von ungefähr der Hälfte aller RCLs des RCL-Portals am Standort München(← III.1.1.3, ▪ Zentrales Standortkonzept).• Fortführung der Fortbildungen für Lehrkräfte (← VII.3) in Zusammenarbeit mit dem VereinMINT-EC 217 .• Vorbereitung und Durchführung von Summercamps zum Selbstbau von RCLs (→ VIII.5.2)• Die Verkaufszahlen des Buches Low Cost - High Tech 218 zeigen, dass Lehrkräfte nebendem Internet auch Informationen aus Büchern zur Umsetzung aktueller didaktischer Entwicklungenin den Unterricht benötigen. Zur Verbreitung des Einsatzes von RCLs im Physikunterrichtist deshalb die Veröffentlichung ein Buches bei einem Verlag geplant.VIII.1.2 Internationales EU-ProjektDie Europäische Kommission bietet unter der Abkürzung CORDIS (Community Researchand Developement Information Service, dt. Forschungs- und Entwicklungsinformationsdienstder Gemeinschaft) 219 ihr siebtes Rahmenprogramm 220 mit dem Ziel an, Europa zur dynamischsten,wettbewerbsfähigsten, wissensbasierten Wirtschaftsregion der Welt zu machen.Das Unterrahmenprogramm Zusammenarbeit mit der größten finanziellen Zuwendung vonungefähr zwei Drittel des 50-Mrd.-Gesamtetats umfasst das Forschungsprojekt InformationsundKommunikationstechnologien (ICT). Gefördert werden definierte wissenschaftstechnologischeZiele und Ergebnisse. In der Zielbeschreibung im Arbeitsprogramm unter"Challenge 8: ICT for Learning and Access to Cultural Resources, ICT-2011.8.1 Technologyenhancedlearning, Educational technologies for science, technology and maths" spielenRCLs eine wichtige Rolle:"Supporting Europeanwide federation and use of remote laboratories and virtual experimentationsfor learning and teaching purposes. The service shall enable online interactive experimentationsby accessing and controlling real instruments, or using simulated solutions.Open interfacing components for easy plug-and-play of remote and virtual labs should bemade available to stimulate the growth of the network of labs. Research shall include workon the user interfaces that mediate the complexities of creation and usability of experiments,for specific pedagogical contexts in primary and secondary schools and higher education, includingat university level. This part of the target outcome should be pursued by IPs that includelarge scale pilots." 221217 Vgl. Verein MINT-EC.218 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Low Cost – High Tech, Literatur.219 Vgl. Europäische Kommission, CORDIS.220 Vgl. Europäische Kommission, CORDIS, Siebtes Rahmenprogramm (RP7).221 Work Programme 2011, Cooperation, Theme 3, ICT – Information and Communications Technologies, S. 91.

VIII AUSBLICK 216Das veranschlagte Finanzvolumen liegt bei ungefähr 60 Mio. €, die Antragstellung muss biszum 17.01.2012 erfolgen und die Laufzeit beträgt ungefähr 5 Jahre. Unter das Förderungsschema"Large-scale integrating project (IP)" fallen als Zielgruppen Firmen, Forschungsinstitute,Hochschulen und Nutzer. Als Aufgaben sind Forschung und Entwicklung, Demonstrationen,Training und Ausbildung sowie Management vorgesehen.Nach zwei Treffen im September 2010 in Paris und im November 2010 in München habenungefähr 25 Bildungsinstitute aus 15 europäischen Ländern und ungefähr 50 Teilnehmer Interesseim EU-Projekt mitzuarbeiten. Auf dem zweiten Treffen wurden Arbeitsgruppen für dieBildungsstufen Grundschule, Sekundarstufe I von Hauptschule, Realschule und Gymnasium,Sekundarstufe II des Gymnasiums, Fachhochschule und Universität gebildet. Weiterhin wurdenArbeitsgruppen zu den Themen Forschungslabore, RCL-Technik, Evaluation, Verbreitungund Implementation, RCLs und Simulationen, Lernumgebungen sowie Kommunikationzwischen Projektteilnehmern gebildet. Bisher wurden ungefähr 100 RCL-Vorschläge für dieverschiedenen Bildungsstufen, für die Naturwissenschaften Physik, Chemie und Biologiesowie für Mathematik und Technologie gesammelt. Vor der Realisation werden die RCLs vonmehreren Teilnehmern auf den Mehrwert geprüft.VIII.2 BuchungssystemVIII.2.1 Ziele und KonzeptionMit einem RCL kann immer nur ein Besucher experimentieren. Auf Fortbildungen bemängelndaher Lehrkräfte schnell und ohne konkrete Erfahrungen, dass RCLs während Unterrichtszeitenbesetzt sein können. Die Wahrscheinlichkeit ist jedoch bei derzeit ungefähr 5 Besuchen/Tag(← II.5.2, Abb. 17) eines RCLs gering. Auch wenn ein RCL besetzt ist, kann in derSekundarstufe II durch mehrere Zugriffsversuche flexibel im Unterrichtsverlauf reagiert werden.Absolute Sicherheit ein unbesetztes RCL vorzufinden bietet nur ein Buchungssystem zurBuchung von Zeitfenstern zum Experimentieren mit RCLs. Im Internet sind viele kostenpflichtigeund kostenlose Online-Buchungsprogramme zu finden. Diese sind auf kommerzielleAnwendungen wie Online-Buchungen von Ferienhäusern, Reisen und Hotels spezialisiertund nicht für die Buchung von RCLs geeignet. Im Folgenden wird ein zentrales Buchungssystemfür RCLs mit Registrierung und Login auf einem zentralen, alle RCLs verwaltendenRCL-Portalserver vorgestellt. Das Buchungssystem ist vorzugsweise im Rahmen des angestrebteninternationalen EU-Projekts (→ VIII.1.2) zu implementieren und verfolgt folgendeZiele:• Bessere Unterstützung der Lehrenden und LernendenVon einem fehlenden Buchungssystem profitieren überwiegend spontane, informelle Besucher.Investitionskosten für RCLs (← III.3.4) und ein Vorantreiben des Einsatzes von

VIII AUSBLICK 217RCLs in der Lehre erfordern ein Buchungssystem das stärker Lehrende und Lernende inBildungsinstitutionen unterstützt. Auf lange Sicht werden dann mehr Lehrende währendLehrzeiten und damit mehr Lernende außerhalb von Lehrzeiten RCLs nutzen.• Höhere Besucherzahlen und bessere zeitliche Auslastung der RCLsMit steigenden Besucherzahlen von RCLs steigt auch die Notwendigkeit ein Buchungssystemeinzusetzen, weil ein zunehmender Anteil von Besuchern RCLs besetzt vorfindet,verärgert reagiert und im schlimmsten Fall RCLs nicht mehr nutzt. Mit Buchungssystemtreten solche Fälle seltener auf, potentielle Besucherspitzen werden abgeflacht, die mittlereZahl der Besucher und die zeitliche Auslastung der RCLs sind höher. Für buchbareZeitfenster von 0,5 h liegt die maximale Zahl der Besucher/Tag eines RCLs bei ungefähr50.• Buchungssystem als Instrument der Kundenakquise und -bindungEin gutes Buchungssystem wertet das RCL-Portal auf, indem die Qualität des Angebotsunterstrichen wird und RCLs nicht ohne ein Mindestmaß an Aufwand sicher nutzbar sind.Durch ein Buchungssystem mit Registrierung und Login können anhand von Angaben beider Registrierung wie E-Mailadresse, Land, Bildungsinstitution und berufliche Funktiongezielt Lehrkräfte mit Interesse an RCLs zu RCL-Fortbildungen eingeladen und per bestellbaremNewsletter Informationen zu neuen RCLs oder Unterrichtsmaterialien zugesendetwerden.• Buchungssystem und Besucher-TrackingLehrende, Lernende und informelle Besucher von RCLs des RCL-Portals sollten unterscheidbarsein, um ein nach Besuchergruppen getrenntes Besucher-Tracking im laufendenBetrieb des RCL-Portals oder für zielgerichtete empirische Untersuchungen des Experimentierensausgewählter Gruppen mit RCLs durchführen zu können (→ VIII.4).

VIII AUSBLICK 218Tab. 52 beschreibt ein Buchungssystem mit Buchungsprofilen für die vier BesuchergruppenLehrende, Lernende, informelle Besucher und Administratoren:BesuchergruppeRegistrierungLehrende• Bei Registrierung Angabe von E-Mailadresse, Benutzername, Passwort,Land, Bildungsinstitution und beruflicheFunktion• Bestätigung der Registrierung per Mail anBesucher mit Registrierungsformular als Anhang.Zugehörigkeit zur Institution muss mitStempel und Unterschrift bestätigt und perFax zurückgesendet werden• Nach Faxeingang wird Zugang freigeschaltetLernendeInformelleBesucherAdministratorenKeine Keine KeineLogin• Buchungsvariante Lehrende: Login mit Lehrendenzugang• BuchungsvarianteLernende: Loginmit GastzugangKeiner• Login mit AdministratorzugangBuchungsprofilBuchung• Buchungsvariante Lehrende: Maximal n Lehrzusammenhängende oder unzusammenhängendeZeitfenster der Länge t Lehr buchbar• Buchungsvariante Lernende: Maximal n Lernunzusammenhängende Zeitfenster der Länget Lern buchbar. Lehrende erhalten automatischgenerierte Mail mit gebuchten Zeitfensternund Gast-Accounts für Schüler zumAushang zugesandtKeineKeine• Sperrung gebuchterund ungebuchterZeitfenster vonLehrenden oderLernenden für WartungsarbeitenvonRCLs• BuchungsvariantePraktikum: Buchungeines Clustersvon RCLs füreine Gruppe vonLernendenZugriffsrechte• Zugriff auf RCLs innerhalb gebuchter Zeitfenster logt informelleBesucher automatisch aus• Sofortiger Zugangbei unbesetztemRCL• Sofortiger Zugangzu allen RCLs unabhängigvomRCL-Status fürTestzweckeTab. 52: Buchungssystem für RCLs mit Buchungsprofilen für 4 Besuchergruppen.• KonzeptionNur Lehrende können nach dem Nachweis der Zugehörigkeit zu einer BildungsinstitutionZeitfenster zum Experimentieren mit RCLs für sich und ihre Lernenden buchen. Das Buchungsprivilegder Lehrenden soll zur verstärkten Nutzung von RCLs in der Lehre führenund sicherstellen, dass Lernende ohne besetzte RCLs vorzufinden Aufgabenstellungender Lehrenden ausführen können. Informelle Besucher sowie Lehrende und Lernendekönnen ungebuchte, aber auch gebuchte, ungenutzte Zeitfenster zum Experimentierenmit RCLs nutzen. Damit wird keine Besuchergruppe vom Experimentieren mit RCLs ausgeschlossen.• BuchungsvariantenLehrende können in der Buchungsvariante Lehrende zusammenhängende und unzusammenhängendeZeitfenster zum Experimentieren mit RCLs buchen. Die Anzahl n Lehr

VIII AUSBLICK 219und Länge ∆t Lehr buchbarer Zeitfenster sind RCL-spezifisch nach der Nutzungshäufigkeitin der Lehre und der Dauer von Lehrstunden festzulegen. Schätzwerte sind n Lehr = 3 und∆t Lehr = 0,5 h.Lehrende können in der Buchungsvariante Lernende für Lernende nur unzusammenhängendeZeitfenster buchen, da ansonsten aufgrund der Anzahl n Lern Lernender RCLs übergrößere Zeiträume für informelle Besucher nicht mehr verfügbar sind. Für übliche Gruppengrößenund experimentellen Fähigkeiten der Lernenden sollte die Anzahl n Lern ungefähr20 und die Länge ∆t Lern buchbarer Zeitfenster ungefähr 1 h betragen. Alternativ könnteeine Gesamtbuchungszeit vorgegeben werden, die der Lehrende auf mehr Lernendemit kürzerem oder weniger Lernende mit längerem Zeitfenster verteilen kann. Dies unterstütztdas Experimentieren mit RCLs in Kleingruppen (← VI.3.1, ▪ Experimentieren mitRCLs in Kleingruppen) und das Experimentieren mit zeitaufwendigeren RCLs (z. B. Millikan-Versuch).Administratoren können in der Buchungsvariante Praktika im Auftrag von Dozenten anUniversitäten für eine Gruppe Studierender Buchungen von RCLs an festgelegten Wochentagenvornehmen.• ZugriffsrechteDie Zugriffsrechte nehmen in der Reihenfolge Administrator, Lehrender/Lernender und informellerBesucher ab: Der Zugriff des Administrators auf eine besetztes, gebuchtes oderungebuchtes RCL loggt automatisch alle anderen Besuchergruppen aus. Der Zugriff aufein RCL von Lehrenden und Lernenden innerhalb eines gebuchten Zeitfensters loggt automatischinformelle Besucher aus.• VerwaltungsaufwandDer Verwaltungsaufwand des Buchungssystems kann durch programmiertechnischeMaßnahmen minimiert werden: Ein nur noch von der Bildungsinstitution zu unterschreibendeRegistrierungsformular wird automatisch aus den Angaben bei der Registrierungerstellt und an den Lehrenden per E-Mail gesendet. Nach der Rücksendung ist die Freischaltungzur Buchung von RCLs nur ein Mausklick. In der Buchungsvariante Lernendeerhält der Lehrende automatisch eine Liste mit Gastzugängen und Buchungszeiten derLernenden zum Aushang zugesandt.VIII.2.2 Funktionalität und NutzerfreundlichkeitSchlechte Funktionalität und Nutzerfreundlichkeit von Buchungssystemen abgeschlossenerRCL-Projekte 222,223,224 sind eine hohe Barriere für die Nutzung von RCLs. Bei der programmtechnischenUmsetzung des Buchungssystems sind deshalb folgende Punkte zu erfüllen:222 Vgl. Netlab, University of South Australia, Zugang nach Anmeldung.

VIII AUSBLICK 220• Unabhängigkeit von RCL-Technik, Anzahl RCLs und Sprachen: Das Buchungssystem istunabhängig von der gewählten RCL-Technik und der Anzahl RCLs einsetzbar. Die Buchungswebseitekann in einfacher Weise um Sprachversionen erweitert werden.• RCL-spezifisch festlegbare buchbare Zeitfenster: Die Anzahlen n Lehr und n Lern buchbarerZeitfenster für Lehrende und Lernende sowie die Längen ∆t Lehr und ∆t Lern der Zeitfenstersind RCL-spezifisch festlegbar.• Rückmeldung beim automatischen Ausloggen: Bei Zugriff von Besuchern mit höherenZugriffsrechten erhalten automatisch ausgeloggte Besucher einen Hinweis auf der Laborseiteeingeblendet. Ansonsten könnte das Ausloggen als Absturz des RCLs oder desComputers interpretiert werden.• Buchung in der Ortszeit des Besucherstandorts: Um Fehlbuchungen zu vermeiden, zeigtder Kalender des Belegungsplans Buchungen in der Ortszeit des Besucherstandorts an.Dies erfolgt automatisch oder indem die Zeitzone vom Besucher eingestellt wird.• Funktionaler Belegungsplan: Eigene Buchungseinträge sind im Belegungsplan von fremdenBuchungseinträgen unterscheidbar. Falsche Buchungseinträge können vor dem Abschlussder Buchung rückgängig gemacht und nach dem Abschluss bis zum Beginn desgebuchten Zeitfensters gelöscht werden. Die verbleibende Anzahl von buchbaren Zeitfensternwird angezeigt und bei Buchung von mehr als n Lehr oder n Lern Zeitfenstern erhältder Lehrende einen Hinweis.• Trennung von Registrierung, Buchung und RCL-Status: Registrierung und Buchung erfolgenunter verschiedenen Menüpunkten. Der Status des RCLs (gebucht und besetzt, gebuchtund unbesetzt, unbesetzt, besetzt, gesperrt) wird auf der Login-Seite des RCLs angezeigt.Das Buchen von RCLs und das Experimentieren mit RCLs sollte auf dem RCL-Portal als Einheit durch Navigation und Design gegenüber den anderen MenüpunktenRCL-Projekt, Kontakt und technische Hinweise (← II.2.1, Abb. 4) klar abgegrenzt werden.• Besucherinformationen zur Registrierung und zur Buchung von RCLs: Bei der Registrierungwird um korrekte Besucherangaben gebeten, der Verwendungszweck von Besucherangabenwird angegeben und die Einhaltung von Datenschutzbestimmungen werdengarantiert. Den Besuchern werden Vorteile und Buchungsprofile des Buchungssystemserläutert.• Nutzungsstatistik von RCLs: Als Werbemaßnahme können auf dem RCL-Portal in regelmäßigenAbständen automatisch aktualisierte Nutzungsstatistiken wie z. B. Häufigkeit derNutzung einzelner RCLs, zeitliche Auslastung der RCLs, Herkunftsländer der Besucher,oder Anteile der Besuchergruppen an der Gesamtnutzung dargestellt werden.223 Vgl. e-Xperimenteren, Projekt "Digitale Universität", Zugang nach Anmeldung.224 Vgl. Remote Laboratories@UP, University of Porto, Gastzugang.

VIII AUSBLICK 221Die Kosten für die Programmierung des Buchungssystems durch eine Firma 225 liegen nacheinem Kostenvoranschlag bei ungefähr 14000 € (→ Anhang X.4).VIII.3 Entwicklung und Einsatzszenarien von RCLsDie Entwicklung von RCLs kann nicht mit alleinigem Blick auf die Realisation von RCLs mitmöglichst großem Mehrwert erfolgen. Auch der potentielle Bedarf an RCLs und konkreteEinsatzszenarien in der Präsenz- und Fernlehre an Schulen und Hochschulen sind zu berücksichtigen.Solche Einsatzszenarien werden im Folgenden vorgestellt.VIII.3.1 Fernlehre Sekundarstufe IIVIII.3.1.1 Einsatz von RCLs an FernschulenIn Deutschland gibt es private und staatliche Fernschulen zum Erwerb der allgemeinenHochschulreife. Zielgruppen sind Erwachsene mit Haupt- oder Realschulabschluss, die mitdem Abitur bessere Berufschancen erwerben wollen, aber auch deutsche Schüler im Ausland.Die staatlichen Anbieter wollen auch Menschen erreichen, die aus beruflichen oder familiärenGründen nicht am klassischen Abendgymnasium teilnehmen können. Bei den staatlichenAnbietern wird die Wochenstundenzahl hälftig als Präsenz- und hälftig im Selbststudiumzuhause wahrgenommen, bei den privaten Anbietern ausschließlich im Selbststudium. InTab. 53 ist das Angebot an Physikkursen auf dem Weg zur allgemeinen Hochschulreife zusammengestellt:PrivatStaatlichILS 226AnbieterStudiengemeinschaft Darmstadt (SGD) 227KeinPhysikkursPhysik alsGrundkursxxFernakademie für Allgemeinbildung, Medien und GesundheitxKetteler-Kolleg und Abendgymnasium Mainz mit Abituronline 229xAbitur-online.nrw an 10 Weiterbildungskollegs in Nordrhein-WestfalenxTab. 53: Private und staatliche Fernschulen zum Erwerb der allgemeinenHochschulreife in Deutschland und das Angebot an Physikkursen.225 Vgl. 200grad GmbH & Co. KG.226 Vgl. ILS, Abitur.227 Vgl. Studiengemeinschaft Darmstadt (SGD), Abitur.228 Vgl. Fernakademie für Allgemeinbildung, Medien und Gesundheit, Abitur.229 Vgl. Ketteler-Kolleg und Abendgymnasium mit Abitur Online.230 Vgl. Schulministerium.nrw.de, Abitur-online.nrw.

VIII AUSBLICK 222Fast alle Anbieter bieten Physik als Grundkurs an. Inkonsequent ist, dass das Ketteler-Kollegtrotz Präsenzlehre keine Physikgrundkurse anbietet. Keiner der Anbieter bietet Physik alsLeistungskurs an. ILS nennt vermutlich stellvertretend für alle privaten Anbieter mit Vollzeit-Fernstudenten den Grund:"Physik und Chemie bieten wir bewusst als Leistungsfächer nicht an, da auf die praxisbezogenenAnforderungen im Leistungskursbereich allein durch Fernunterricht nicht vorbereitetwerden kann." 231Die Umschreibung "praxisbezogene Anforderungen" zeigt, dass eine höher qualifizierendeFernlehre in Physik ohne Experimente nicht durchführbar ist. Aber nicht nur Leistungskurs-,sondern in besonderem Maße Grundkursschüler benötigen einen experimentellen Zugangzur Physik. Aus didaktischer Sicht besteht also ein Bedarf an Physikfernkursen mit RCLs aufdem Weg zum Abitur. Tab. 54 zeigt einen Vorschlag zum Einsatz von RCLs des RCL-Portalsund von neuen RCLs:MechanikElektrodynamikThermodynamik• Superposition und Berechnung magnetischer Felder(← III.3.5, Tab. 28, RCL Magnetfelder)• Elektromagnetische Induktion(← III.3.5, Tab. 28, RCL Elektromagnetische Induktion)• Spezifische Ladung von Elektronen(← III.3.5, Tab. 28, RCL e/m-Bestimmung)• Ablenkung von Elektronen im elektrischen und magnetischenFeld(← III.3.5, Tab. 28, RCL Elektronen im E- und B-Feld)• Allgemeine Gasgleichung(← III.3.5, Tab. 28, RCL Thermodynamische Zustandsänderungen)• Wellennatur von Materie(RCL Beugung von Elektronen am Spalt)• Compton-Effekt(RCL Compton-Effekt)• Erzeugung und Untersuchung von Röntgenstrahlung(RCL Röntgenphysik)• Optische Spektroskopie(RCL Spektren von Lichtquellen)QuantenphysikAtomphysikKernphysikFestkörperphysikRCLs des RCL-Portals• Gravitationsgesetz(RCL Weltpendel)• Luftreibungskraft(RCL Windkanal)• Beugung und Interferenz von Licht(RCL Beugung und Interferenz II)• Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit(RCL Lichtgeschwindigkeit)• Quantennatur des Lichts(RCL Fotoeffekt)• Wellennatur von Materie(RCL Elektronenbeugung)• Struktur des Atoms(RCL Rutherfordscher Streuversuch)• Bestimmung der Elementarladung(RCL Millikan-Versuch)• Nachweis, Ausbreitung, Absorptionund Statistik radioaktiver Strahlung(RCL Radioaktivität)Neue RCLs• Zentrifugal- und Zentripetalkraft(← III.3.5, Tab. 28, RCL Trägheitskräfte)• Gammaspektrometrie(← III.3.5, Tab. 28, RCL Gammaspektrometrie)• Beweglichkeit von Ladungsträgern(RCL Hall-Effekt)Tab. 54: Abdeckung wichtiger Experimente der Sekundarstufe II durch RCLs.Die Liste kann noch um weitere wünschenswerte RCLs ergänzt werden. Mit ungefähr 30RCLs können die wichtigsten Experimente in der Sekundarstufe II abgedeckt werden, davonist ungefähr ein Drittel im RCL-Portal verfügbar.231 ILS, Abitur - 3. Einstieg unter "Der zweite Schritt".

VIII AUSBLICK 223VIII.3.1.2 Einsatz weiterer MedienDas gesamte experimentelle Spektrum der Sekundarstufe II kann für Fernkurse nicht alleindurch RCLs abgedeckt werden und muss durch videobasierte Medien wie die Videoanalyse,Messvideos und interaktive Bildschirmexperimente ergänzt werden (← VI.1.1). RCLs erlaubenz. B. nicht die Untersuchung von Bewegungen aus Alltag, Natur und Technik in der Kinematik.Mit der Videoanalyse können ein- und zweidimensionale Bewegungen kinematischuntersucht und Auswertungen zum Newton´schen Grundgesetz und zum Energie- und Impulserhaltungssatzdurchgeführt werden. Besonders das Videoanalyseprogramm MeasureDynamics 232 mit dem größten Funktionsumfang ist für die Videoanalyse geeignet, weil im Videodie Vektoren kinematischer Größen dargestellt werden können.Im Gegensatz zur Videoanalyse sind Messvideos und interaktive Bildschirmexperimentenicht auf die Kinematik begrenzt. Insbesondere visuell beobachtbare Versuchsergebnisseund Phänomene wie z. B. der Farbfadenversuch zur Bestimmung der Reynoldszahl 233 oderVersuche großer Versuchsdauer wie z. B. die Bestimmung der Gravitationskonstanten mitder Gravitationsdrehwaage sind als Messvideo geeignet. Interaktive Bildschirmexperimenteeignen sich für kleine und einfachere Experimente. Aus didaktischer Sicht sind für die Planungund Durchführung eines durch RCLs experimentell getragenen Fernkurses folgendePunkte relevant:• Zuerst sind Inhalte und RCLs aufeinander abzustimmen (← VIII.3.1.1, Tab. 54) und danndurch videobasierte Medien zu ergänzen.• Der Bestand an videobasierten Medien ist zu erheben, technisch und didaktisch gute Medienauszuwählen und Themen bzw. Themengebieten zuzuordnen. Videos zur Videoanalysesind den meisten Videoanalyseprogrammen beigefügt, Messvideos sind in einfacherQualität im Internet oder in besserer Qualität auf CD erhältlich 234 . Interaktive Bildschirmexperimentesind in einer Datenbank 235 oder auf CD veröffentlicht 236 , weitere interaktiveBildschirmexperimente und Messvideos sind auch auf dem FiPS-Medienserver 237 zu finden.• Bei ausreichendem Personal und Finanzierung ist zu entscheiden, welches videobasierteMedienmaterial mit möglichst einheitliche Qualität und Oberfläche neu produziert werdenmuss. Videos zur Videoanalyse variieren z. B. im Format und dem verwendeten Codecund ein großer Teil ist wegen zu geringem Kontrast des bewegten Objektes zum Hintergrundnicht für eine automatisierte Aufnahme der Koordinaten geeignet.• Zu jedem einzelnen experimentellen Medium sind experimentelle Aufgabestellungen zuformulieren.232 Vgl. Phywe, Measure Dynamics.233 Vgl. Wagner 2003, S. 66-75.234 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Physics Education Network (PEN), Multimedien für die Physikausbildung.235 Vgl. Freie Universität Berlin, Didaktik der Physik, Datenbank Doppler.236 Vgl. Klett, CD zu Impulse Physik Sekundarstufe II.237 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, FiPS-Medienserver.

VIII AUSBLICK 224• Der Zeitaufwand für Fernstudenten zur Arbeit mit experimentellen Physikmedien ist zu untersuchenoder abzuschätzen und danach die zeitliche Dichte der Physikmedien (Taktung)anzupassen.• Die Fernstudenten sind zu Beginn des Fernkurses auf einer Präsenzveranstaltung in dieHandhabung der experimentellen Physikmedien anhand konkreter, praktischer Übungeneinzuführen. Dies schafft Motivation, erzeugt Interesse an der Physik und erhöht dieWahrscheinlichkeit, dass die Medien im Selbststudium genutzt werden.VIII.3.2 Präsenzlehre Sekundarstufe IIVIII.3.2.1 BedarfsstrategieGeringe Physiketats (≈ 1000 €/Jahr) an Gymnasien, in die Jahre gekommene Physiksammlungen,zu wenig Zeit der Physiksammlungsleiter zur Pflege der Physiksammlung und diewenigen Schulen mit einem technischen Assistenten lassen eine eingeschränkte Verfügbarkeitvon Physikexperimenten vermuten. Deshalb wurden 2007 an Gymnasien in Rheinland-Pfalz die Physiksammlungsleiter zur Verfügbarkeit und die Physiklehrkräfte zum Einsatz vonSekundarstufe II-Experimenten anhand einer Versuchsliste (→ Anhang X.15) befragt. Zielwar herauszufinden, welche RCLs den Bedarf an Experimenten in der Sekundarstufe II abdeckenkönnen.Wegen des umfangreichen Fragebogens haben nur die Physiksammlungsleiter von 9 Schulenvollständig eine Frage zur Verfügbarkeit von Experimenten beantwortet. In Tab. 55 sindin der ersten Spalte alle Experimente gelistet, die in 3 oder mehr Schulen fehlen oder defektsind:

VIII AUSBLICK 225ExperimentAnzahl der Schulen mit fehlendemoder defektem ExperimentStandardmaterialien Physiksammlung(PS), Demonstrationsexperiment(D), Videoanalyse (VA), Messvideo(MV), interaktives Bildschirmexperiment(IBE), Simulation (S),Zweidimensionaler Stoß 6 VAKreisbewegung mit konstanter Winkelbeschleunigung 4 PSRCL des RCL-Portals ( )RCL in Tab. 26 (*)Weitere RCLs (**)Newton´sche Reibungskraft 7 WindkanalStokes´sche Reibungskraft 5 PSDynamische Auftriebskraft 7 SBestimmung der Oberflächenspannung 5 PSErzwungene Schwingungen mit Federpendel 3 PSSchwebung und Dopplereffekt mit Ultraschallwellen 5 Ultraschall **Gravitationsdrehwaage 4 MVh-Bestimmung mit LED 3 DCompton-Effekt 7 Compton-EffektElektronenbeugung 4 ElektronenbeugungModellexperiment Maxwell´sche Geschwindigkeitsverteilung 3 Sp-V-Diagramm Kreisprozess (Stirlingmotor) 3Elektronenablenkröhre und Wienscher Geschwindigkeitsfilter 3ThermodynamischeZustandsänderungen *Elektronen im E-und B-Feld *Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit mit Laufzeit von Lichtimpulsen 7 LichtgeschwindigkeitNewton´sche Ringe 3 DFresnel´scher Doppelspiegel 3 DMichelson-Interferometer 5Intensitätsverteilung von Beugungsmustern 5Michelson-Interferometer *Beugung undInterferenz IIKerreffekt 6 KerreffektFrank-Hertz-Versuch mit Neon 4 DResonanzabsorption mit Natrium 5 MVZeemann-Effekt 7 Zeemann-Effekt **Elektronenspinresonanz (ESR) 8Kernmagnetische Resonanz (NMR) 7Elektronenspinresonanz**KernmagnetischeResonanz **Erzeugung und Untersuchung von Röntgenstrahlung 4 Röntgenphysik **Rutherfordscher Streuversuch 6RutherfordscherStreuversuchReichweite von α-Strahlung in Luft 3 RadioaktivitätKennlinie einer Ionisationskammer 5 DSpektren von α- und β-Strahlern 6α- und β-Strahlungsspektren **Tab. 55: Ergebnis einer Befragung von 9 Physiksammlungsleitern zur Ausstattung der Physiksammlung.In der dritten Spalte wurde geprüft, ob die Experimente besser mit Standardmaterialien derPhysiksammlung, als klassisches Demonstrationsexperiment, als Messvideo, als Video in

VIII AUSBLICK 226einem Videoanalyseprogramm oder als Simulation durchgeführt werden sollten. Es bleiben17 potentielle RCLs, wovon 5 im RCL-Portal verfügbar sind und 3 in Tab. 26 gelistet sind.Die restlichen potentiellen RCLs sind teils teurere oder seltener an Gymnasien durchgeführteExperimente zur modernen Physik wie Zeemann-Effekt oder Elektronen- und Kernspinresonanz.Am dringendsten fehlt ein RCL zur Röntgenphysik, weil an vielen Schulen ein teuresRöntgengerät nicht zur Verfügung steht.VIII.3.2.2 InnovationsstrategieIn Anbetracht des prognostizierten Mangels an Ingenieuren 238 , des in der Regel technikfernennaturwissenschaftlichen Unterrichts an Gymnasien und schlechter Ausstattung derSchulen mit technikorientierten Experimenten muss gefragt werden, wie Schüler ohne einFach Technik im Physikunterricht an Technik herangeführt und dafür begeistert werden können.Beispiele für innovative RCLs sind:• Experimentierkoffer, z. B. zur Fotovoltaik oder Windenergie 239 , erreichen wegen der begrenztenAnzahl und der alleinigen Verwendung in Schulen zu wenige Nutzer. Die gutenExperimente solcher Experimentierkoffer können aber als Grundlage zur Entwicklung innovativerRCLs in Zeiten der Energiewende dienen.• Experimentierkoffer gibt es auch zur Elektronik und Elektrotechnik 240 . Interessant sindRCLs zur Elektronik, bei denen auf ICs komplette experimentelle Lehrgänge zur analogen(Signalgenerator, Schaltungen zur Wechselstrom, Operationsverstärkerschaltungen, anwendungsorientierteSchaltungen z. B. Messbrücken, …) oder digitalen Elektronik (Rechenschaltungen,AD-DA-Wandler, anwendungsorientierte Schaltungen, …) für die SekundarstufeII realisiert sind. Diese RCLs können ausgestattet mit Messinstrumenten (Digitalvoltmeter,einfaches Oszilloskop) kostengünstig mehrfach ausgeführt werden.• Ein RCL Oszilloskop zum Erlernen der Bedienung eines Oszilloskops und zum Erlernendes Messens mit einem Oszilloskop (← III.3.5, Tab. 25, RCL Oszilloskop).• RCLs zur Physik und zu Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Röntgenstrahlen,γ-Strahlen oder mit Ultraschall.Die RCLs sollen Lehrkräften ohne experimentellen Aufwand die kurzfristige Durchführungvon einführenden Lerneinheiten in die Thematik ermöglichen. Da der Physikunterricht in derSekundarstufe II aus zeitlichen und inhaltlichen Gründen nie einen Technikunterricht ersetzenkann und will, müssen innovative RCLs einen so großen Umfang an Experimenten ha-238 Vgl. z. B. Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft, Pascal Hetze: Ingenieurmagel - alles andere als eine Fata Morgana.239 Vgl. Klasse Schule, Experimentierkoffer zur Fotovoltaik.240 Vgl. Siemens Stiftung, Siemens Stiftung vergibt 120 Experimentierkoffer an Physiklehrkräfte.

VIII AUSBLICK 227ben, dass interessierte Schüler anhand von begleitendem Lernmaterial eigenständig Weiterexperimentierenund Weiterlernen. Darin liegt dann die Innovation.VIII.3.3Präsenzlehre Sekundarstufe IBekannte Probleme des Physikunterrichts in der Sekundarstufe I sind:• Schülerexperimente können nur vereinzelt durchgeführt werden, sind zeit- und arbeitsaufwendigin Vorbereitung und Durchführung und erzielen nicht immer die gewünschtenLerneffekte.• Kleinschrittiger, lehrergelenkter Unterricht im Wechsel von Lehrerdemonstrationsexperiment,Unterrichtsgespräch und Tafelanschrieb.• Hoher Anteil von Schülern der nur sporadisch Hausaufgaben macht und erst vor Prüfungensich Inhalte aneignet.Nach der Komponieren-Strategie (← III.3.2, ▪ Komponieren) können RCLs oder RCL-Clusterentwickeln werden, die ein ganzes Gebiet der Physik wie z. B. die geometrische Optik oderdie Elektrizitätslehre abdecken. Ein Unterricht der sich an einer lehrgangsartig strukturiertenLernumgebung solcher RCLs orientiert, könnte zu folgenden Verbesserung des Physikunterrichtsin der Sekundarstufe I führen:• Unter dem Aspekt des experimentellen Übens können viele im Unterricht durchgeführteStandardversuche (z. B. zu Linsenabbildungen) von den Schülern zuhause als Hausaufgabewiederholt werden. Unter dem Aspekt des Erwerbs von Kompetenzen können Schülerdie Ergebnisse von erstmalig zuhause mit dem RCL durchgeführter Standard-Experimenten in den Unterricht einbringen. Ein Nebeneffekt könnte ein erhöhtes Interesseder Schüler an der Diskussion phänomenorientierter, qualitativer und als RCL ungeeigneterExperimente (z. B. die optische Hebung eines Gegenstands im Wasser) im Unterrichtsein.• Experimentelles Arbeiten der Schüler kann von der Lehrkraft flexibler und kontinuierlicherüber das Schuljahr verteilt werden.• Die Lernumgebung sollte eng an die mit dem RCL durchführbaren Experimente angelehntsein, experimentelle und theoretische Lernaufgaben miteinander kombinieren. Anhandvon Tests mit experimentellen Aufgabestellungen sollten Schüler ihren Wissensstandselbst überprüfen können.Zur breiten Anwendung dieser Lehrgangsstrategie müssen RCLs buchbar in mehrfacherAusführung vorhanden sein und eine hohe Nutzerfreundlichkeit für Schüler der SekundarstufeI haben. Zur Reduzierung der Komplexität des RCLs sollte die Funktionalität der Laborseitedurch den Experimentator auf einzelne Experimente einschränkbar sein.

VIII AUSBLICK 228VIII.3.4 Präsenz- und Fernlehre an UniversitätenVIII.3.4.1 PraktikaPraktika lassen sich in klassische Präsenz-Praktika, RCL-Fernpraktika und Mischformen dieserbeiden Formen einteilen. Zu den fest verankerten Präsenz-Praktika an den Universitätengehören Anfänger-Praktika im Grundstudium und Fortgeschrittenen-Praktika im Hauptstudium.Im Folgenden werden Einsatzszenarien von RCLs in Praktika diskutiert:• Anfänger-PraktikaEin RCL-Online-Praktikum im Grundstudium hat z. B. die Technische Universität Berlin fürdie eigenen Ingenieurstudenten angeboten. 241 Der Nutzen eines solchen für Präsenz-Studenten angebotenen RCL-Online-Praktikums ist fragwürdig, weil in dieser Form jedesklassische Anfängerpraktikum besser ist.Sinnvoller ist eine Mischform, in der Präsenz-Studenten bei der häuslichen Vorbereitungeines Präsenz-Praktikums durch versuchsgleiche oder zumindest versuchsähnliche RCLsunterstützt werden. Derzeit können z. B. von den 37 Versuchen des Anfänger-Praktikumsan der Technischen Universität Kaiserslautern 242 die Versuche Beugung und Interferenz,Gravitation und Reversionspendel, Kennlinien von Halbleiterbauelementen, RadioaktiverZerfall sowie Bestimmung der Planck´schen Konstante durch die RCLs Beugung und InterferenzII, Weltpendel, Halbleiterkennlinien, Radioaktivität und Fotoeffekt experimentellvorbereitet werden. Diese Anzahl RCLs kann durch die bisher vorgeschlagenen RCLsThermodynamische Zustandsänderungen, Michelson-Interferometer, und e/m-Bestimmung (← III.3.5, Tab. 26), Optische Spektroskopie (← IV.3.1.1, Tab. 54) sowie Ultraschallund Röntgenphysik, (← VIII.3.2.1, Tab. 55) auf über zehn erhöht werden.• Fortgeschrittenen-PraktikaIm Fortgeschrittenen-Praktikum experimentieren Studierende eigenständiger mit komplexeren,teureren Versuchsapparaturen als im Anfänger-Praktikum. Ein Vergleich der Fortgeschrittenen-Praktikaan den Technischen Universitäten Kaiserslautern 243 und München244 zeigt, wie unterschiedlich die Versuchsthemen und die Anzahl verfügbarer Versuchesein können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Fortgeschrittenen-Praktika Physikstudentenauch auf die Inhalte der einzelnen Arbeitsgruppen vorbereiten sollen. Auch fürFortgeschrittenen-Praktika ist eine Mischform von Präsenz- und RCL-Fernpraktikum ausfolgenden Gründen sinnvoll:- Bisher nicht im Versuchs-Repertoire enthaltene, gefährliche Experimente z. B. zurKernphysik mit Neutronen, können als RCL den Studierenden angeboten werden.241 Vgl. Technische Universität Berlin, Remote Farm, Online-Praktikum mit Remote Experimenten.242 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Fachbereich Physik, Anfängerpraktikum.243 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Fachbereich Physik, Fortgeschrittenenpraktikum.244 Vgl. Technische Universität München, Physik-Department, Fortgeschrittenenpraktikum.

VIII AUSBLICK 229- Teure Experimente wie z. B. ein Rasterkraftmikroskop, die zur Ausbildung kleinerGruppen Studierender wie z. B. Biophysiker benötigt werden, können als RCL von kooperierendenHochschulen gemeinsam finanziert angeboten werden.- Ein RCL-Pool an Experimenten dient jederzeit als Puffer schwankender Anmeldezahlenfür das Fortgeschrittenen-Praktikum.- Mit einem RCL-Pool von Experimenten kooperierender Hochschulen kann flexibler aufveränderte inhaltliche Anforderungen in Lehre und Forschung reagiert werden.Die Planung, welche Hochschulen sinnvolle Kooperationsgemeinschaften bilden können,welche Experimente der RCL-Pool umfasst und welche Experimente als Präsenz-Versuche angeboten werden bedarf einer umfassenden Analyse durch die kooperierendenHochschulen.• RCL-Fernpraktika für die Dritte WeltHochschulen in Ländern der Dritten Welt verfügen häufig nicht über ausreichend experimentellausgestattete Präsenz-Praktika. Ziel einer Analyse der derzeitigen Bedarfssituationsolcher Länder und der potentiellen Lerninhalte könnte die Finanzierung und Realisationeines gemeinsam von mehreren Ländern genutzten RCL-Fernpraktikums mit Hilfe derDeutschen Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) sein. 245VIII.3.4.2 Vorlesungen und SeminareRCLs können ergänzend zu Demonstrationsexperimenten in Vorlesungen der Experimentalphysikim Grundstudium eingesetzt werden, wenn ein Demonstrationsexperiment fehlt o-der das RCL einen Mehrwert gegenüber dem Demonstrationsexperiment bietet. Z. B. kannzum Verständnis der Formel zur Intensitätsverteilung des Beugungsmusters eines Gittersdas RCL Beugung und Interferenz II genutzt werden anstatt lediglich Abbildungen von Beugungsmusternzu zeigen. RCLs, die eine schnelle Versuchsdurchführung gestatten wie z. B.das RCL Fotoeffekt können auch als experimentelle Übungsaufgabe in den begleitendenÜbungen zur Experimentalphysik eingesetzt werden.Für Seminare z. B. zum deterministischen Chaos bietet es sich an, dass neben der Erarbeitungund Vermittlung der Theorie, den Studierenden mehrere RCLs zum deterministischenChaos wie z. B. Chaos am Wasserhahn (← III.3.5, Tab. 26) oder eines nichtlineareSchwingkreises (Toda-Oszillator) für einen Vergleich von Theorie und Experiment zur Verfügungsteht. Das gleiche RCL-gestützte Seminar, kann dann von mehreren Hochschulen angebotenwerden.245 Vgl. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH.

VIII AUSBLICK 230VIII.3.4.3 FernstudiumIn 2002 deckten Universitäten, die Fernkurse in Physik oder einer Ingenieurwissenschaft anbieten,den experimentellen Teil der Ausbildung durch Blockpraktika während einer Präsenzphase,durch wissenschaftliche Hausarbeiten in Unternehmen oder durch den Versandvon Experimentiermaterial an die Studierenden ab 246 . Der Früheinstieg ins Physik-Studium(FiPS) 247 deckt seit 1998 Vorlesungen in Experimentalphysik der ersten zwei Semester ander Technischen Universität Kaiserslautern ab. Das Teil-Fernstudium ist Mittel zum Zweckum Studierende für das Präsenzstudium in Physik zu gewinnen.Auch heute, ungefähr 10 Jahre später, zeigt die Eingabe des Suchbegriffs "FernstudiumPhysik" in eine Suchmaschine, dass es in Deutschland ein Vollzeit-Fernstudium in Physikwegen der notwendigen Präsenz an den Hochschulen für Praktika nicht gibt. Die Trefferlistezeigt auch, dass durchaus echter Bedarf vorhanden sein könnte. Realisierbar erscheint einBachelor-Fernstudium für Physiker und das Physiklehramt. Ansätze bieten die in FiPS entwickeltenStrukturen zum Einsatz von Medien 248 und Überlegungen zum Einsatz von RCLs inFernkursen der Sekundarstufe II (← VIII.3.1).VIII.4 Empirische Untersuchung des Lehren und Lernen mit RCLsDer Schwerpunkt des RCL-Projekts lag auf der Entwicklung (← III.3, ← V) und Verbreitung(← VII) von RCLs hoher Qualität (← III). Damit wurden Voraussetzungen zur empirischenUntersuchung des Lehren und Lernens mit RCLs an Schulen geschaffen.VIII.4.1 FragestellungenFragestellungen einer empirischen Untersuchung des Lehren und Lernens mit RCLs könnensich auf die Organisation, Planung und Durchführung eines Unterrichts mit RCLs, auf denVergleich des Lernens von Schülern mit den drei Formen RCL, Demonstrationsexperimentund Schülerexperiment des Realexperiments oder auf das Lernen von Schülern mit RCLsaußerhalb von Unterrichtszeiten beziehen. Beispiele für Fragestellungen sind:• Welche Organisationsmodelle des Einsatzes von RCLs über die gesamte SekundarstufeII sind machbar und erfolgreich?• Welcher Zeitaufwand des außerschulischen Experimentierens mit RCLs ist organisatorischsinnvoll und wird von den Schülern akzeptiert?246 Vgl. Schweickert 2002, S. 15.247 Vgl. Technische Universität Kaiserslautern, Früheinstieg ins Physikstudium (FiPS).248 Vgl. Schweickert 2002.

VIII AUSBLICK 231• Welche Lehr-Lernformen bewähren sich dauerhaft im Unterricht? Welche Lehr-Lernformen eignen sich besonders zur Vorbereitung und Unterstützung des Lernens mitRCLs außerhalb des Unterrichts?• Besitzen RCLs das didaktische Potential den Physikunterricht an Schulen langfristig inRichtung größerer experimenteller Anteile zu verändern?• Kann bei Schülern durch RCLs eine Experimentierkultur und ein besseres Verständnisdes Experiments als Methode der Physik entwickelt werden?• Entwickeln Lernende beim Experimentieren mit RCLs allein zuhause eher eigene Hypothesenund Fragestellungen als beim Demonstrationsexperiment im Unterricht?• Ziehen Schüler ein aktives Experimentieren mit RCLs dem eher passiven Verfolgen einesDemonstrationsexperiments vor?• Wie beurteilen Lehrkräfte und Schüler das Lernen von Physik im Vergleich von RCL, Demonstrations-und Schülerexperiment?• Welcher Anteil von Schülern ist mit RCLs bei vorhandenen Lernvoraussetzungen in derLage sich physikalische Inhalte eines Experiments anhand der Standard-Lernumgebungoder anderer Materialien außerhalb des Unterrichts anzueignen?• Gelingt es Schülergruppen außerhalb des Unterrichts durch digitale Kommunikation einegrößere Menge an Messdaten zusammenzutragen und auszuwerten?• Wie lange benötigen Schüler zur Durchführung experimenteller Hausaufgaben mit RCLs?• Welchen Stellenwert hat es für Schüler mit RCLs zuhause ohne zeitliche Eingrenzung undohne den Einfluss von Mitschülern und der Lehrkraft zu experimentieren?• Nutzen Schüler beim häuslichen Experimentieren mit RCLs die Standard-Lernumgebungdes RCLs oder andere Informationsquellen?VIII.4.2 Untersuchungsinstrument Besucher-TrackingDer Einsatz des Besucher-Trackings (← II.5.1, ▪ Besucher-Tracking der Laborseite vonRCLs mit Logdateien) zur Beantwortung empirischer Fragestellungen hat den Vorteil, dassüber längere Zeit in automatisierter Form harte Daten zum Experimentieren einzelner Schülermit RCLs gesammelt und ausgewertet werden können. Die Zuordnung von gesammeltenDaten und experimentierenden Schülern einer Untersuchungsgruppe kann über eine Registrierungfür das Buchen von RCLs erfolgen (← VIII.2.1, ▪ Buchungssystem und Besucher-Tracking). Aufgrund des spezifischen Besucher-Trackings von RCLs muss die derzeitigeProgrammierung der Erfassung von Aktivitäten auf der Laborseite von RCLs überarbeitetund um ein Auswertungstool erweitert werden. Die Features des Auswertungstools sollten

VIII AUSBLICK 232Unterstützung in Form von automatisierten Auswertungen z. B. für folgende Fragen oderFragestellungen bieten:• Wie lange, wie oft und wann experimentieren Schüler?• Nutzen die Schüler während des Experimentierens die Standard-Lernumgebung?• Experimentieren Schüler auch nach Abschluss eines Unterrichtsthemas mit verwendetenRCLs?• Nimmt die Häufigkeit, der zeitliche Umfang oder die Systematik des Experimentierensüber einen bestimmten Zeitraum hinweg zu? Können solche Veränderung in Zusammenhangmit der Unterrichtsorganisation oder Lehr-Lernformen gebracht werden?• Können durch Verfolgen des Experimentierens einzelner Schüler bestimmte wiederkehrendenVorgehensweisen beim Experimentieren mit RCLs festgestellt werden? Gibt esExperimentatortypen?Um ein möglichst vollständiges Gesamtbild des Experimentierens von Schülern zu erhaltenist das Besucher-Tracking z. B. durch Fragebögen und Interviews zu ergänzen.VIII.5 Selbstbau von RCLsBasierend auf den Erfahrungen aus dem Summercamp (← VI.4.1) und der Befragung vonPhysiklehrkräften (← VI.4.2) zum Selbstbau von RCLs wird ein Blended-Learning-Kurs fürRCL-Arbeitsgemeinschaften an Schulen und ein modifiziertes Summercamp für begabteSchüler zum Selbstbau von RCLs beschrieben.VIII.5.1 Blended-Learning-KursZiel des Blended-Learning-Kurses ist die Gründung von RCL-Arbeitsgemeinschaften anSchulen. Lehrkräfte und Schüler der Klassen 10 – 12 werden gemeinsam während Schulzeitenund in enger zeitlicher und inhaltlicher Verzahnung von Präsenztagen außerhalb derSchule und Arbeit an der Schule (Blended Learning) in den Selbstbau von RCLs eingeführt.Lehrkräfte und Schüler müssen für die Präsenztage vom Unterricht freigestellt und für Lehrkräftemuss der Kurs als Fortbildung anerkannt werden. Innerhalb eines Umkreises von maximal200 km um den Veranstaltungsort sollten ungefähr 15 Teilnehmer gefunden werden,so dass der finanzielle und zeitliche Aufwand für An- und Abreise gerechtfertigt ist. ZurDurchführung der Präsenztage und einer ausreichenden Betreuung der praktischen Arbeitenwerden zwei Referenten benötigt. Als Veranstaltungsort bieten sich Gesamtschulen an, diein der Regel neben Physiksälen mit geeigneten Experimentiertischen über Werkräume mit

VIII AUSBLICK 233geeignetem Werkzeug für mechanische Arbeiten verfügen. Für die Mikrocontroller-Programmierung und zum Steuern des RCLs sollte jede RCL-Arbeitsgemeinschaft ein Notebookmitbringen. In Tab. 56 ist der geplante inhaltliche Verlauf des Blended-Learning-Kursesangegeben:Technik von RCLsPhysikPhase1. PräsenztagElektronikSchule2. PräsenztagMikrocontroller-ProgrammierungSchule3. PräsenztagMechanikSchule4. PräsenztagPlanung RCLSchuleInhalte• Ziel des Kurses, Einführung in Löten und Funktionsgruppen des Interface in Basisschaltung,Aufbau und Testen des Interface in Basisschaltung• Einführung in Sensorik und Sensoren für Temperatur, Lichtintensität und Zeitmessung• Geschaltete Spannungsquellen• Aufbau und Untersuchung der Schaltungen mit einem Experimentierboard• Aufbau und Testen der Sensorschaltungen im Interface• Löten von 2 Schrittmotorsteuerungen nach Anleitung• Einführung in Mikrocontroller-Programmierung, Erläuterung des Basisprogramms, EntwicklungsumgebungBASCOM, Programmübertragung mit USB-Programmer• Programmierung und Messungen mit den Sensoren• Programmierung und Testen der Schrittmotoren• Vorstellung der Materialien für kinetisches Experiment, Zielsetzung des kinetischen Experiments• Eigene Programmierversuche mit Sensoren und Schrittmotoren• Planung des mechanischen und funktionstechnischen Versuchsaufbaus eines kinetischenExperiments• Realisierung und Test des kinetischen Experiments• Präsentation des kinetischen Experiments• Entwickeln von Vorschlägen für ein physikalisches Experiment• Vorbereiten einer Präsentation zur Planung eines RCLs• Präsentation und Diskussion der geplanten RCLs• Informationen zur Integration von RCLs in das RCL-Portal• Realisation von RCLs mit dem Ziel der Veröffentlichung auf dem RCL-PortalTab. 56: Verlauf des Blended-Learning-Kurses "Selbstbau von RCLs".Der Blended-Learning-Kurs umfasst vier Präsenztage im zeitlichen Abstand von 1 - 2 Wochen.Zeiten an der Schule zwischen den Präsenztagen dienen der Vertiefung des vorangegangenenoder zur Vorbereitung des nächsten Präsenztages.Der Schwerpunkt liegt auf der Technik von RCLs mit dem Ziel, dass die Teilnehmer nachden ersten drei Präsenztagen mit den Schwerpunkten Elektronik, Mikrocontroller-Programmierung und Mechanik ein kinetisches Experiment nach dem Vorbild von Kunstobjektender kinetischen Kunst 249 realisiert haben. Der vierte und letzte Präsenztag bildet dieSchnittstelle zur Weiterführung des Selbstbaus von RCLs in einer Arbeitsgemeinschaft ander Schule. Die Schüler stellen gemeinsam mit den Lehrkräften erarbeitete Vorschläge undPlanungen für RCLs zur Diskussion. Aus Kostengründen und von den inhaltlichen Anforderungenher sollten einfache Experimente für die Sekundarstufe I von den Schülern der SekundarstufeII realisiert werden. Ziel der weiteren Arbeit von Lehrkräften und Schülern inRCL-Arbeitsgemeinschaften könnte bei ausreichender Qualität des RCLs die Veröffentli-249 Vgl. Wikipedia, Kinetische Kunst.

VIII AUSBLICK 234chung des RCLs auf dem RCL-Portal sein. Das RCL-Tutorial bietet dazu Unterstützung (←V).Bei mehrfacher Durchführung des Blended-Learning-Kurses mit maximal 5 Arbeitsgemeinschaftenpro Kurs sollten dauerhaft folgende Materialien vorhanden sein: 5 Experimentierboards(75 €) zum Aufbau von Schaltungen, 5 einfache Lötstationen (300 €), 5 USB-ISP-Programmer (150 €) zum Übertragen des Mikrocontroller-Programms, 5 Interface in Basisschaltung(250 €) und 5 Schrittmotorsteuerungen (50 €) als Ersatz für funktionsuntüchtigeSelbstbauten der Teilnehmer, 5 x 3 Schrittmotoren (300 €) für das kinetische Experiment,elektronische Bausteine und Verbrauchsmaterial (200 €), PVC-Platten und Befestigungsmaterialfür den mechanischen Aufbau des kinetischen Experiments (200 €). Die Investitionskostenliegen damit bei ungefähr 1500 €. Die Lehrkräfte können bei Finanzierung über dieSchule das kinetische Experiment mitnehmen und bezahlen dann maximal ungefähr 150 €.Im anderen Fall wird das kinetische Experiment für den nächsten Blended-Learning-Kurszerlegt.Der Blended-Learning-Kurs kann nur die Gründung von RCL-Arbeitsgemeinschaften initiierenund inhaltlich unterstützen, nicht aber deren langfristiges Bestehen sichern. Lehrkräftemüssen sich in die Mikrocontroller- und PHP-Programmierung einarbeiten und die RCL-Arbeitsgemeinschaft muss für Materialien zur Realisierung von RCLs von der Schule undden Eltern finanziell unterstützt werden. Der Bildungswert einer RCL-Arbeitsgemeinschaftmuss mit produzierten RCLs, Vorträgen zu RCLs von Schülern und in Gesprächen kommuniziertwerden. Eine engagierte Lehrkraft kann analog zur Ausbildung von Staatsexamenskandidatenim RCL-Projekt fortwährend mit neuen Schülern neue RCLs produzieren. DerGesamterfolg der Bildungsmaßnahme misst sich an Zahl der durchgeführten Kurse, Zahl derTeilnehmer, Zahl der neu gegründeten RCL-Arbeitsgemeinschaften und der Zeitdauer ihresBestands.VIII.5.2 SummercampIm Unterschied zum Blended-Learning-Kurs findet das Summercamp in den Sommerferienund in einer zusammenhängenden, mindestens einwöchigen Präsenz statt. Zielgruppe sindnicht Gruppen, sondern einzelne motivierte und technisch-naturwissenschaftlich begabteSchüler. Um diese Zielgruppe anzusprechen und sicherzustellen, dass am Ende des Summercampsein funktionsfähiges, von einer Webseite bedienbares RCL steht, können nichtwie beim Blended-Learning-Kurs physikalische Inhalte am Ende, sondern müssen zeitlichvor dem Beginn eines Summercamps einsetzen:Schüler können sich auf der Webseite eines Kooperationspartners wie z. B. MINT-EC umdie Teilnahme am Summercamp bewerben. Dort finden sie eine Zusammenstellung und Beschreibungvon Schulmaterialien für physikalische Experimente (z. B. Digitalvoltmeter, Netzgerät,…). Die Materialien sind so gewählt, dass damit etwa 10 Experimente für die Klassen

VIII AUSBLICK 23510 - 12 durchgeführt und auf dem Summercamp als RCL ohne aufwendige mechanische Arbeitenrealisiert werden können (z. B. ein RCL zum elektrischen Schwingkreis). Die Bewerbersollen mit den Versuchsmaterialien an der Schule zwei Experimente realisieren und einVersuchsprotokoll mit Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Versuchsauswertungsowie der Theorie des Experiments als Bewerbung für das Summercamp einreichen. Hilfreichfür die Planung des Summercamps sind Angaben der Bewerber zum Vorwissen in Mikrocontroller-Programmierung,PHP-Programmierung und Elektronik sowie ob ein eigenesNotebooks mitgebracht werden kann. Ausgewählt werden die 15 besten Bewerbungen.Schüler mit gleichen oder ähnlichen Experimenten werden zu Zweier- oder Dreiergruppenzusammengefasst. Man erhält ungefähr 5 - 7 Gruppen, die von zwei Betreuern auf demSummercamp betreut werden.Im Summercamp stehen den Gruppen fertig gestellte Interfaces in Basisschaltung mit austauschbarerPlatinenhälfte für Erweiterungsschaltungen zur Verfügung (→ Anhang XI.1.2,Abb. 89). So ist sichergestellt, dass Lötarbeiten Teil des Summercamps sind, mit vertretbaremZeitaufwand durchgeführt werden können und die Platine mit Erweiterungsschaltungenfür weitere Summercamps einfach ausgetauscht werden kann. Elektronische Bauteile fürErweiterungsschaltungen, Sensoren und Aktoren müssen in ausreichender Anzahl verfügbarund Schaltungen auf ihre Funktionalität hin geprüft sein. Das RCL-Tutorial (← V) ist für einesolche Veranstaltung nicht geeignet. Zu entwickeln und vorzubereiten sind Informations- undLernmaterialien zu Sensoren, Aktoren, Mikrocontroller- und PHP-Programmierung, die esden Schülergruppen erlauben möglichst eigenständig ihr RCL zu realisieren.Am ersten Tag bauen die Schülergruppen mit den gestellten Schulmaterialien ihr Experimentauf, führen Messungen durch und halten Experimentalvorträge. Es folgt eine Einführung derBetreuer in die Erweiterung eines Experiments zum RCL, eine Einführung in die Nutzung vonMaterialien und ein Zeitplan für den Verlauf des Summercamps. Während der Realisationdes RCLs sind die Gruppen von den Betreuern individuell zu betreuen, Kooperationen zwischenden Gruppen zu fördern, die Nutzung des Vorwissens von Schülern oder die Entwicklungvon Spezialisten für bestimmte Aufgaben zu unterstützen. Ziel des Summercamps istein abschließender Experimentalvortrag der Gruppen mit dem fertig gestellten RCL vor denTeilnehmern des Summercamps oder eingeladenem Publikum.

IX ZUSAMMENFASSUNG 236IX ZUSAMMENFASSUNGIX.1 Dokumentation des RCL-ProjektsDas RCL-Projekt wurde zwischen 2002 und 2010 an der Technischen Universität Kaiserslauternin drei Phasen "Sponsorenakquise und Entwicklung der RCL-Technik", "Produktion vonRCLs" sowie "Didaktik und Verbreitung von RCLs" als Entwicklungs- und Ausbildungsprojektdurchgeführt. Zielgruppe waren Schüler in Physikkursen der Sekundarstufe II und Studierendeim Grundstudium der Physik. Beteiligt waren ungefähr 10 Sponsoren oder Kooperationspartner,ungefähr 20 Mitarbeiter und 11 Studierende im Rahmen von Staatsexamensarbeiten.Das Projektbudget lag bei ungefähr 400000 €. Das RCL-Projekt ist das mit der größtenLaufzeit aller bisher bekannten Projekte zu RCLs.Im RCL-Projekt wurde ein flexibel an Experimente anpassbares und kostengünstiges Interfaceentwickelt. Die Software für den RCL-Server und zur Programmierung des Mikrocontrollersim Interface ist größtenteils Open-Source. Wichtigstes Produkt des RCL-Projekts ist einPortal mit 17 RCLs. Die RCLs stehen im Rahmen eines dezentralen Standortkonzepts an 8Standorten in Deutschland und 3 Standorten außerhalb Deutschlands.Jedes RCL ist Teil einer für alle RCLs gleichartig strukturierten und an die Webnutzung angepasstenStandard-Lernumgebung mit den Webseiten Einstieg, Aufbau, Theorie, Aufgaben,Labor (RCL), Auswertung, Diskussion, Material und Betreuung. Alle Standard-Lernumgebungen sind mindestens deutsch und englischsprachige, maximal viersprachigund umfassen durchschnittlich 14 DIN-A4-Seiten/RCL. Davon entfallen fast die Hälfte auf Informationenund Fragen zum Experiment. Insgesamt werden auf dem RCL-Portal fast 250DIN-A4-Seiten an Standard-Lernumgebung angeboten.Als Best-Practice-Beispiele im RCL-Projekt können das RCL Weltpendel zur Messung derBreitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung und das RCL Optische Fourier-Transformation zur Visualisierung von Eigenschaften der Fourier-Transformation bezeichnetwerden. Die konzeptionellen Überlegungen und die Versuchsergebnisse zeigen die Qualitätder RCLs.Zur Verbreitung von RCLs des Projekts haben 16 Zeitschriftenartikel, 9 Konferenzbeiträge,15 Vorträge, 6 Poster, 9 Beiträge im Schulportal Lehrer-Online, 10 Fortbildungen und 6Workshops beigetragen. Zusammen mit den 11 Staatsexamensarbeiten ergibt das 82 Beiträgein 6 Jahren bzw. etwas mehr als einen Beitrag/Monat. Dies zeigt die Kontinuität undVielfalt mit der das RCL-Projekt in der Öffentlichkeit vertreten wurde.

IX ZUSAMMENFASSUNG 237IX.2Evaluation des RCL-ProjektsZur Evaluation des RCL-Projekts bzw. von RCLs wurden folgende Methoden verwendet:• Weltweite RCL-Recherche: In 2010 wurde eine Recherche zum weltweiten Bestand anRCLs durchgeführt. Die angewendete Recherche-Methode lieferte mit 335 RCLs vermutlich90 % des weltweiten RCL-Bestands. Merkmale zum Bestand und zum Zugang zu denRCLs wurden in einer Tabelle erhoben.• Besucher-Tracking mit Logdateien: Die experimentellen Aktivitäten der Besucher auf derLaborseite von RCLs wurden seit 2005 in Logdateien festgehalten.• Besucher-Tracking mit Google Analytics: Besuche der Standard-Lernumgebungen vonRCLs wurden in 2010 über 4 Monate mit dem Webanalysetool Google Analytics registriert.• Befragung von Lehrkräften: Lehrkräfte wurden auf Fortbildungen zur Qualität der Fortbildung,zur Motivation und Fähigkeiten zum Selbstbaus von RCLs und zur Unterrichtstauglichkeitvon RCLs befragt.• Funktionstest von RCLs: Zwischen 2006 und 2010 wurde monatlich die Funktionsfähigkeitder RCLs des RCL-Portals überprüft.Ergebnisse der Evaluation des RCL-Projekts und von RCLs sind:• Aus Besucher-Tracking mit LogdateienDie Anzahl der Besuche/Tag aller RCLs des RCL-Portals ist zwischen September 2005und Januar 2010 von ungefähr 2 Besuche/Tag auf ungefähr 70 Besuche/Tag gestiegen.In 2010 wurden insgesamt ungefähr 28000 Besuche registriert. In 2010 wurden ungefähr3400 Besuche des RCLs Elektronenbeugung aus Deutschland registriert. Der maximaleBedarf aller Gymnasien in Deutschland liegt bei ungefähr 12000 Besuchen. Unter Vernachlässigungder vermutlich geringen Nutzung des RCLs in Hochschulen und durch informelleBesucher beträgt der Marktanteil des RCLs Elektronenbeugung ungefähr 28 %.• Aus Funktionstests von RCLsDie zeitliche Verfügbarkeit der RCLs des RCL-Portals liegt im Mittel bei 78 %. Bleibt derAusfall der Internetverbindung unberücksichtigt und wird damit die Stabilität der RCLs desRCL-Portals erfasst, liegt diese bei 90 %.• Aus Besucher-Tracking mit LogdateienEin Besucher-Tracking bei mehreren RCLs zeigt, dass die Experimentierdauer, die Qualitätdes Experimentierens und das Spektrum an experimentellen Vorgehensweisen sichnicht grundsätzlich vom Experimentieren mit traditionellen Realexperimenten unterscheidet.Dies zeigt den Grad an Authentizität der RCLs des RCL-Portals zum traditionellenRealexperiment.• Aus RCL-Recherche

IX ZUSAMMENFASSUNG 238Im weltweiten Vergleich haben die RCLs des RCL-Portals die wenigsten Zugangsbarrierenwie z. B. Registrierung/Anmeldung, persönliche Angaben oder Installation von Zusatzsoftware.• Aus Besucher-Tracking mit Google-AnalyticsDie Standard-Lernumgebungen der RCLs des RCL-Portals verzeichnen im Mittel 10 Besuche/Tag,sind weltweit die umfangreichsten und stellen über 40 % der viersprachigweltweit verfügbaren Standard-Lernumgebungen von RCLs. Ungefähr 85 % der Besuchedes RCL-Portals kommen aus Deutschland.• Aus Befragung von LehrkräftenLehrkräfte bescheinigen den durchgeführten Fortbildungen eine hohe Qualität. Auf einerganzzahligen Antwortskala zwischen -2 und +2 liegen 10 Qualitätskriterien zwischen +0,9und +1,7.• Qualitätsvergleich themengleicher RCLsIn einem Qualitätsvergleich dreier RCLs zur Beugung und Interferenz schneidet das RCLBeugung und Interferenz II des RCL-Portals mit Abstand am besten ab.• Besucherzahlen der Lehrer-Online-BeiträgeIm Mittel werden die 9 Beiträge zum Unterrichtseinsatz von RCLs auf dem SchulportalLehrer-Online täglich 12-mal besucht. Über 100 Lehrkräfte informieren sich so täglichüber die RCLs des RCL-Portals.IX.3 Beiträge zur Weiterführung des RCL-ProjektsDie Arbeit liefert folgende Beiträge für Weiterführungen des RCL-Projekts:• Technik-TutorialEine überarbeitete und erweiterte Version eines ersten Technik-Tutorials aus 2005 bietetinsbesondere Staatsexamenskandidaten eine Übersicht zur Technik der RCLs des RCL-Portals und einen schnelleren Einstieg in den Selbstbau von RCLs.• Weiter- und Neuentwicklungen von RCLs5 aktuelle und 2 ehemalige RCLs des RCL-Portals können mit einem echten Qualitätssprungweiterentwickelt werden. Vorgeschlagen zur Neuentwicklung werden die RCLsLeuchtmittel, Optische Kristallographie, Magnetfelder und Trägheitskräfte. Darüber hinauswerden 7 innovative Entwicklungsrichtungen von RCLs wie z. B. RCLs die gezielt Fehlvorstellungenberücksichtigen oder den Vergleich mehrere Messmethoden erlauben vorgeschlagen.Die Tabelle der RCL-Recherche mit 335 RCLs dient als Informationsgrundlagezur Beantwortung der Frage, welche RCLs in welcher Qualität schon existieren.

IX ZUSAMMENFASSUNG 239• Entwicklungsplan für RCLsRCL-Entwickler können anhand eines Entwicklungsplans mit Checklistenpunkten undMeilensteinen systematischer und zielgerichteter RCLs entwickeln. Daraus soll eine bessereQualität von RCLs und eine Verkürzung der Entwicklungsdauer von RCLs im Hinblickauf verkürzte Zeiten zur Anfertigung einer Staatsexamensarbeit im Bachelor-Master-Studium resultieren.• Entwicklungsstrategien für RCLsDie Entwicklung von RCLs kann durch adaptieren, optimieren oder komponieren vorhandenertraditioneller Realexperimente oder durch thematisieren physikalischer Inhalte ausPhysik, Umwelt, Natur und Technik erfolgen. Die zuletzt genannte Strategie führt zu größtenteilsneuen Experimenten. Entwicklungsstrategien helfen wie der EntwicklungsplanRCLs systematischer und zielgerichteter zu entwickeln.• Qualitätskriterien und QualitätsmerkmaleMit den Qualitätskriterien Verfügbarkeit, Barrierefreiheit, Funktionalität, Konzeption, Interaktivität,Authentizität und Nutzerfreundlichkeit können anhand von QualitätsmerkmalenRCLs auf Qualität geprüft werden.• Lehr-LernformenEin Spektrum von 10 Lehr-Lernformen mit RCLs wie z. B. experimentellen Hausaufgaben,Experimentalvorträge, Lernzirkel und Selbststudium ist Grundlage zur systematischenpraktischen Erprobung des Einsatzes von RCLs im Physikunterricht und zur empirischenUntersuchung des Lehren und Lernens mit RCLs.• FortbildungenMit der eintägigen Fortbildung "Remotely Controlled Laboratories (RCLs) im Physikunterrichtder Sekundarstufe II" liegt eine ausgereifte und gut konzipierte Fortbildung zur Weiterführungvor.• BuchungssystemDas Buchungssystem zur Reservierung von Zeitfenstern zum Experimentieren mit RCLsunterstützt ausschließlich Lehrende und deren Lernende ohne andere Besuchergruppenauszuschließen. Zwischen Lehrenden, Lernenden und informellen Besuchern kann aufgrundder Registrierung unterschieden und damit ein besucherspezifisches Trackingdurchgeführt werden.• Blended-Learning-Kurs zum Selbstbau von RCLsDie Befragung von Lehrkräften auf Fortbildungen ergab, dass ungefähr 10 % der Lehrkräftein besonderem Maße motiviert in einer Arbeitsgemeinschaft RCLs mit Schülern zubauen und nur ungefähr 5 % der Lehrkräfte über die wichtigsten Fähigkeiten zum Selbstbauvon RCLs verfügen. Deshalb wurde ein gemeinsamer Blended-Learning-Kurs fürSchüler und Lehrkraft mit dem Ziel in Arbeitsgruppen an Schulen RCLs zu bauen konzi-

IX ZUSAMMENFASSUNG 240piert. Im Wechsel von Arbeit an der Schule und eintägigen Präsenz-Veranstaltungen wirdin den Selbstbau von RCLs eingeführt.• Summercamp zum Selbstbau von RCLsErfahrungen und Feedback eines in 2005 durchgeführten Summercamps mit Schülernwurden in ein neu konzipiertes Summercamp umgesetzt. Das Auswahlverfahren der Bewerber,Materialmanagement sowie ein Wechsel von Informationseinheiten und praktischemArbeiten sollen zur Realisation von RCLs in Kleingruppen innerhalb von ungefähr10 Tagen führen.• Einsatzszenarien von RCLsRCLs sind bisher nur selten ein fester und essentieller Bestandteil des Lehrens und Lernensan Schulen und Hochschulen. Vorgeschlagen wird der Einsatz in der Fernlehre mitdem Ziel Abitur, in der Präsenzlehre der Sekundarstufe I und verstärkt in der SekundarstufeII. RCLs können in Kombination mit traditionellen Realexperimenten in AnfängerundFortgeschrittenen-Praktika an der Hochschule und als komplettes RCL-Fernpraktikumfür die Dritte Welt eingesetzt werden.Alle genannten Punkte zusammen betrachtet, ist das RCL-Projekt ein erfolgreiches undnachhaltiges Projekt gewesen. Mit einem Finanzbudget, das unterhalb vieler anderer Projektezu RCLs liegt, wurde ein nachhaltiges Angebot an RCLs insbesondere für Lehrkräfte anSchulen geschaffen. Darüber hinaus sind aus dem RCL-Projekt viele Anregungen und Impulseerwachsen, die in Weiterführungen des Projekts genutzt werden können.

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 241XANHANG zu KAPITEL I-IV und VIX.1 Werbebroschüre zum RCL-Portal

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 242X.2 Standorte, RCL-Betreuer und Zugangsdaten von RCLs des RCL-PortalsRCL Standort RCL-Betreuer IP-Adressen ServerBeugung undInterferenz IITechnische UniversitätKaiserslauternElektronenbeugungMillikan-VersuchOptische Fou-rier-TransformationHalbleiterkennlinienLichtgeschwindigkeitOszilloskopHochschuleHeilbronnAngela Szasz:szasz@hs-heilbronn.de07131/504-386Erwin Wild:erwin.wild@hs-heilbronn.de07131/504-390Jörg Storch:storch@hs-heilbronn.de07131/504-420http://131.246.237.199255.255.255.0131.246.237.254131.246.1.116131.246.9.116http://131.246.237.200255.255.255.0131.246.237.254131.246.1.116131.246.9.116http://131.246.237.175255.255.255.0131.246.237.254131.246.1.116131.246.9.116http://131.246.237.201255.255.255.0131.246.237.254131.246.1.116131.246.9.116http://141.7.70.48141.7.70.39255.255.255.0141.7.70.254141.7.1.18141.7.1.20http://141.7.70.49141.7.70.49255.255.255.0141.7.70.254141.7.1.18141.7.1.20http://141.7.70.39141.7.70.39255.255.255.0141.7.70.254141.7.1.18141.7.1.20IP-AdressenWebcamsUSB-Webcam:131.246.237.199:8080USB-Webcam:131.246.237.200:8080IP-Webcam:http://131.246.237.204Benutzername: adminPasswort RCLcamWerks-IP-Adresse:10.2.202.218USB-Webcam:131.246.237.201:8080USB-Webcam:141.7.70.48:8080IP-Webcam:http://141.7.70.58:80Benutzername: demoPasswort: root oder00116B8020E4USB-Webcam:141.7.70.49:8080IP-Webcam:http://141.7.70.59:80Benutzername: rootPasswort:00116B803C19USB-Webcam:141.7.70.39:8080TeamviewerID, Passwort245621915beugung775154198elektronenbeugung356407310Millikan353736642fourieroptik115801861kennlinien379552516lichtgeschwindigkeit115797549oszilloskopRadioaktivitätWeltpendelKaiserseschWindkanalTechnologieundGründerzentrumKaiserseschLothar Schaden:lothar.schaden.vgk@lcoc.de02653/913520Petermons: peter.simons@vgk.kaisersesch.de02653/999-616Andreaslesch: andreas.ollesch@vgk.kaisersesch.de02653/999-616http://87.139.25.178http://radioaktivitaet.kaisersesch.de192.168.0.252255.255.255.0192.168.0.254192.168.0.254http://87.139.25.178; http://weltpendel.kaisersesch.de192.168.0.250;255.255.255.0;192.168.0.254;192.168.0.254http://87.139.25.178; http://windkanal.kaisersesch.de192.168.0.253255.255.255.0192.168.0.254192.168.0.254USB-Webcam:87.139.25.178:8082IP-Webcam:192.168.0.251:80Benutzername: demoPasswort: root oder00116B803C15USB-Webcam:87.139.25.178:8083USB-Webcam:87.139.25.178:8081119616840RCL02vgk327585174RCL3vgk119627599RCL1vgkHeißer Saarpfalz- Axel Wagner: http://131.246.237.198 USB-Webcam: 595977217

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 243DrahtMautRoboter imLabyrinthFotoeffektRutherfordscherStreuversuchWeltpendelHermannsburgWeltpendelAdenWeltpendelNeapelWeltpendelRigaBeugung undInterferenz IBeugung undInterferenz(Demomodul)GymnasiumHomburgGymnasium I-sernhagenRealschule I-sernhagenDeutschesTechnikmuseumBerlinOptischeComputertomographieChristian-GymnasiumHermannsburgUniversity ofAdenUniversita deglistudi di Napoli"Frederico II"Latvijas UniversitateAkademie fürLehrerfortbildungund PersonalführungDillingenHochschule derBundeswehrMünchenawainf@saarpfalzgymnasium.de06841/9231-20Konrad Weigt:konrad.weigt@gmx.deJörgpers: joerg.kampers@isernhagen.de0170/9738055 (p)Uwe Zilling:uzilling@gmx.deJörgpers: joerg.kampers@isernhagen.de0170/9738055 (p)Dr. Christian Neuert:neuert@dtmb.de030/90254-108Gehrke:gehrke@sdtb.de030/90254-264Sven Huhs:sven.huhs@gmx.de05052/9878005051/8724 (p)Rolf Eggersglüß:Mohamed S. Almoodi:msamoodi@y.net.yeElena Sassi:sassi@na.infn.itJanis Harja:jharja@latnet.lvUlrich Weber:u.weber@alp.dillingen.de09071/53-187Stefan Pickl:stefan.pickl@unibw.de089/6004-2400255.255.255.0131.246.237.254131.246.1.116131.246.9.116http://131.246.237.83255.255.255.0131.246.237.254131.246.1.116131.246.9.116http://212.18.213.238192.168.10.41255.255.255.0192.168.1.10192.168.1.10http://rcl.gymnasium.isernhagen.de192.168.13.9255.255.255.0192.168.13.2Proxyserver:192.168.13.2, Port 8080http://rutherford.gymnasium.isernhagen.de192.168.13.10255.255.255.0192.168.13.2192.168.13.2Proxyserver:192.168.13.2, Port 8080http://217.91.25.33192.168.0.2255.255.255.0192.168.0.1192.168.0.1http://217.91.121.114192.168.2.2255.255.255.0192.168.2.1192.168.2.1http://82.114.183.224192.168.1.2255.255.255.0192.168.1.1192.168.1.1http://192.84.134.227192.84.134.227255.255.255.0192.84.134.254192.84.134.50192.84.134.227.55http://195.13.133.34195.13.133.34255.255.255.0195.13.133.254195.13.129.5http://194.95.207.53http://lichtbeugung.alp.dillingen.de131.246.237.198:8080 HeisserDrahtUSB-Webcam:131.246.237.83:8080USB-Webcam:212.18.213.238:8080USB-Webcam:81.14.211.146:8080USB-Webcam:41.14.211.146:8080USB-Webcam:217.91.25.33:8080USB-Webcam:217.91.121.114:8080USB-Webcam:82.114.183.224:8080USB-Webcam:195.13.133.34:8080USB-Webcam:607638034Maut399438725Rhlocm_14S437653048photoeffekt160140977rutherford372499239+CT+472292331weltpendel602806179WeltpendelAden336121814worldpendulum296417891weltpendel- - --

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 244X.3 Checkliste zur Auslieferung von RCLsKriteriumAusreichendeRaumgröße?Auftreten extremerRaumtemperaturen?Bietet Raum Schutz vorFremdeinwirkung?Ausreichende technischeInfrastruktur und Platz fürRCL im Raum?Erfüllt StandortAnforderungen anInternetverbindung?Geeignete künstlicheund natürlicheBeleuchtung im Raum?Geeigneter Wandhintergrundim Raum?Sicherheitsbestimmungenam Standort erfüllt?Erläuterung/BeispielRCLs können in der Größe stark schwanken:• Das RCL Lichtgeschwindigkeit war mit 15 m Länge in einem Flur an der Technischen UniversitätKaiserslautern aufgebaut. In Heilbronn musste die Messstrecke auf 10 m gekürzt und derStrahlengang des Lichts über einen Spiegel in einer Ecke des Raums geführt werden. Wanddurchbrüchesind wegen Brandvorschriften nicht erlaubt.• Das RCL Weltpendel benötigt 2,5 m Raumhöhe. Am Standort Kaisersesch mussten Deckenplattenzur Montage des RCLs entfernt werden.Räume können starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sein:• Das RCL Beugung und Interferenz II konnte nur in einem Dachraum mit hohen Temperaturenim Sommer untergebracht werden. Ausfälle des RCL-Servers wurden durch einen Lüfter hoherKühlleistung vermieden.• Für eine möglichst genaue Bestimmung der Erdbeschleunigung wird beim RCL Weltpendeldie Raumtemperatur gemessen.• Generell ist zu prüfen, ob Temperaturschwankungen die Funktionstüchtigkeit eines RCLs beeinträchtigen.Sachunkundige Personen können RCLs funktionsuntüchtig machen:• In Bildungsinstitutionen als Standort dürfen Lernende keinen Zugang zum RCL haben. Einabschließbarer Raum ist notwendig.• Wenn RCLs in öffentlich zugänglichen Räumen wie im Museum oder als Attraktion in Bildungsinstitutionenstehen, muss z. B. eine Plexiglaswand Schutz vor Fremdeinwirkung bieten• Auch wenn RCL in verschlossenem Raum steht, können Personen Aber auch in RCL RutherfordscherStreuversuch und Weltpendel Hermannsburg vom Hausmeister ausgeschaltet• Schild nicht ausschalten• Anschluss an das Stromnetz und an das Internet müssen vorhanden sein• Prüfen, ob am Standort freie Räume und genügend Platz in den Räumen für RCL vorhandenist• Manche RCLs benötigen zusätzlich Raum für die Positionierung und Befestigung einerWebcam am Boden oder an der Decke (z. B. RCL Weltpendel)Qualität der Internetverbindung hängt stark vom Standort ab:• Stabiler Internetanschluss mit mindestens 128 kb/s Uploadrate (DSL). Standorte in nicht soweit entwickelten Ländern erfüllen diese Bedingung manchmal nicht (z. B. RCL Weltpendel inJemen)• Prüfen, ob Schulen für RCL mit statischer Internetadresse extra DSL-Anschluss einrichtenmüssen, können und wollen (z. B. für RCLs Heißer Draht und Maut lange Zeit kein Internetzugang)Eine gute Beleuchtung des RCLs ist essentiell:• Eine diffuse und wegen des weltweiten Zugriffs ständige Raumbeleuchtung ist für viele RCLsoptimal• Zur Minimierung von Energiekosten ist eine künstliche mit Beginn der RCL-Nutzung einschaltbareBeleuchtung günstig (z. B. RCL Lichtgeschwindigkeit)• Es muss geprüft werden, ob die Beleuchtung des RCLs bei Tag und Nacht optimal ist (beimRCL Elektronenbeugung war das Beugungsmuster schlecht erkennbar, wenn direktes Sonnenlichtdurch einen Spalt in den Verdunklungskasten eingedrungen ist. Die Anzeigen vonMessgeräten wie z. B. beim RCL Radioaktivität können bei direkter Sonneneinstrahlungschlecht lesbar werden)• Als künstliche Beleuchtung des RCLs eignen sich häufig ältere Schreibtischlampen, denenLeuchtmittel in Beleuchtungsrichtung und - position relativ frei positionierbar sindGeeigneter Wandhintergrund trägt zu übersichtlichem Webcambild bei:• Manche RCLs benötigen einen gleichmäßigen Wandhintergrund für ein übersichtlichesWebcambild. Fehlt dieser, dann sollte ein Hintergrund hergestellt werden (z. B. wie beim RCLWeltpendel in Kaisersesch)Versuche mit radioaktiven Strahlern oder Lasern unterliegen Sicherheitsbestimmungen:• Beim RCL Radioaktivität wurde für den Betrieb am Standort eine Umwandlung mit Bleieinlagehergestellt, ein Hinweisschild angebracht und die Reststrahlung vermessen.• Sicherheitstechnisch am günstigsten für die Verwendung von Lasern mit höheren Leistungenin RCLs ist es, das gesamte RCL mit einem geschlossenen Kasten abzudecken (z. B. RCLOptische Fourier-Transformation). In jedem Fall ist ein Hinweisschild auf die Laserstrahlunganzubringen.

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 245Sicherer Transportdes RCLs mit Pkwgewährleistet?Verschicken vonRCLs mit der PostFür RCLs existieren wie für kommerzielle Produkte keine speziell angefertigten Verpackungenund es besteht die Gefahr, dass Komponenten des RCLs durch den Transport beschädigt werden:• Das RCL insgesamt z. B. auf Gummi- oder Schaumstoffteilen möglichst erschütterungsfreiund rutschsicher lagern• Alle empfindlichen und beweglichen Teile des RCLs vom RCL entfernen oder mit BefestigungsmaterialfixierenBei Standorten im Ausland ist das Verschicken des RCLs oft eine günstigere, aber nicht immereine zeit- und arbeitsunaufwendigere Alternative zum Transport mit dem Pkw:• RCLs müssen in der Regel zerlegt und wegen der mechanischen Belastung auf dem Frachtwegwesentlich aufwendiger als beim Transport mit dem Pkw verpackt werden. Z. B. wurdefür das RCL Millikan-Versuch eine geeignete Transportkiste hergestellt und alle Versuchskomponentenaufwendig befestigt.• Da am Standort in der Regel niemand mit dem Aufbau des RCLs vertraut ist, müssen sehrdetaillierte und bebilderte Aufbauanleitungen wie z. B. beim RCL Weltpendel angefertigt werden.

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 246X.4 Kostenvoranschlag für Buchungssystem

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 247X.5 Tabelle mit Daten der RCL-RechercheIDNationales/InternationalesProjektLokalesProjekt Land HochschuleHochschulformArbeitsgruppeThemaArtikelGebietTeilgebietJahrSchuleignungStandard-LernumgebungWebseite existiertSprachen LaborseiteKeine AnmeldungGastzugangRegistrierung/AnmeldungNutzerkreis eingeschränktPersönliche AngabenBookingLink defektLinksucheTestfragenLadezeit langSoftwareinstallationStatusangabe1Library ofLabs (LiLa)GreeceAristotle Universityof ThessalonikiULaboratory forThin FilmsNanosystemsand Nanometrology(LTFN)Optical and nanomechanicalproporties ofthin filmsSp 2010 0 - En - - - - - - - - - - - -2 CanadaAthabasca UniversityOUUV-vis spectrophotometerJCE Ce Sp 2004 0 - En - - - - - - - - - - LV -3 CanadaNorthern AlbertaInstitute of Technology(NAIT)TUFTIRSpectroscopyJCEJCECe Sp 2004 0 - En - - - - - - - - - - LV -4 CanadaUniversity of AlbertaUAdvanced ControlSystemsLaboratoryRoboterLiu – AStudy…Ce Ro 2001 0 - En - - - - - - - - - - J -5OpenLabsElectronicsLaboratorySwedenBlekinge Institute ofTechnologyIDepartment ofSignal ProcessingElectronic LaboratoryiJOEProProProProProEl Ae 1999 0 0 x En x x x LV x6 OpenLabs SwedenBlekinge Institute ofTechnologyISchool of EngineeringCharacteristicsof antennasiJOE Ed Ew 2008 2 0 x En - - - - - x - -7 OpenLabs SwedenBlekinge Institute ofTechnologyISchool of EngineeringVibration analysisMe Ms 2008 1 0 x En x x x8RemoteElectronicLab (REL)AustriaCarinthia Tech InstituteUAS Schaltungen Pro El Ch 2001 2 - Ge - - - - - - - - - LV -9RemoteUnited Statesof Ame-EducationalAntennaricaLab (REAL)Carnegie MellonUniversity (CMU)UFerngesteuertes Testlabor fürAntennenRep Ed Ew 2006 0 0 x En x x10The VirtualLabUnited Statesof AmericaCarnegie MellonUniversity (CMU)UDepartment ofElectrical andComputer EngineeringThe Black BoxThe Black BoxRep El Ae 1995 2 2 x En - - - x x - - LV11The VirtualLabUnited Statesof AmericaCarnegie MellonUniversity (CMU)UDepartment ofElectrical andComputer EngineeringMartian RescueMartian RescueRep Ce Ro 1995 0 2 x En - - - x x - - LV12e-LaboratoryProjectSlovak RepublicCharles Universityin PragueUDepartment ofMathematicsand PhysicsMeteorologicalstation in PragueEJP El M 2006 0 2 xEnCzSlSpx J x13e-LaboratoryProjectSlovak RepublicCharles Universityin PragueUDepartment ofMathematicsand PhysicsElectromagnetic inductionEJPLinkEd Ms 2006 1 2 xEnCzSlx J x14e-LaboratoryProjectSlovak RepublicCharles Universityin PragueUDepartment ofMathematicsand PhysicsNatural and drivenoscillationsLinkLinkLinkMe Ms 2005 1 2 xEnCzSlx J x15e-LaboratoryProjectSlovak RepublicCharles Universityin PragueUDepartment ofMathematicsand PhysicsDiffraction onmicroobjectsLink Ed Wo 2006 1 2 xEnCzSlx J x16e-LaboratoryProjectSlovak RepublicCharles Universityin PragueUDepartment ofMathematicsand PhysicsSolar energyconversionLinkLinkLinkEl Ch 2006 2 2 xEnCzSlSpx J x17e-LaboratoryProjectSlovak RepublicCharles Universityin PragueUDepartment ofMathematicsand PhysicsHeisenberguncertaintyprincipleLink Qp 2006 1 2 xEnCzSlx J x18e-LaboratoryProjectSlovak RepublicCharles Universityin PragueUDepartment ofMathematicsand PhysicsWater LevelControlLink Ce Fs 2006 0 2 xEnCzSlx J x19World WideStudent Laboratory/DiscoverLaWorld WideStudentLaboratory(WWSL)United Statesof AmericaUniversity ofOregon (UO)UCosmic rays -OregonPp 1998 2 1 x En x J

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 248b Corporation20World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationWorld WideStudentLaboratory(WWSL)RussiaBaumann MoscowState UniversityUCosmic rays -MoscowPp 1998 2 1 x En x J21World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationWorld WideStudentLaboratory(WWSL)United Statesof America- UCosmic rays -FloridaPp 1998 2 1 x En x x - J22World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationWorld WideStudentLaboratory(WWSL)United Statesof America- UCosmic rays -Study of timecorrelationPp 1998 2 1 x En J23World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationRemoteaccesscomputeraidedlaboratoryRussiaBaumann MoscowState UniversityUTensilestrength of materialsMe Em 2003 2 2 x Ru x x x - -24World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationWorld WideStudentLaboratory(WWSL)United Statesof America- USpectroscopyand RadiometryCe Sp 2004 0 0 x En x x - - -25World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationRussiaBaumann MoscowState UniversityURemoteaccesscomputeraidedlaboratoryLaser-Spectroscopy -ResonancePhotoluminiscenceCe Sp 2003 0 0 x Ru x x -26World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationWorld WideStudentLaboratory(WWSL)United Statesof America- UMeasurementof the Speed oflightEd Op 2003 1 0 x En x x x -27World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationRemoteaccesscomputeraidedlaboratoryRussiaBaumann MoscowState UniversityUOptical DeterminationofElectron GasTemperature inMercury PlasmaAp 2003 0 2 x En - - - x -28World WideStudent Laboratory/DiscoverLab CorporationRemoteaccesscomputeraidedlaboratoryRussiaBaumann MoscowState UniversityUMicrowave RadiotelescopeCe Te 2003 0 1 x Ru x29RemotelyControlledLaboratories(RCLs)remote_labGermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTU IR-Camera Ed Ew 2002 2 -GeEnx - J30United Statesof AmericaNorth CarolinaState University(NCSU)UDepartment ofMechanical andAerospace EngineeringAerodynamiclevitation of abeach ballTE Me St 2009 0 - En - - - - - - - - - - S -31RemotelyControlledLaboratories(RCLs)remote_labGermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUOptical TweezersQp 2002 2 -GeEnx - J32E-Experimenteren+ProjectNetherlandsEindhoven Universityof TechnologyULevel Control ofWater in a TankiJOE Ce Fs 2005 0 1 x En x x x LV33E-Experimenteren+ProjectNetherlandsEindhoven Universityof TechnologyUHot wireanemometeriJOE El M 2005 1 3 x En x x x LV34Remote EngineeringandApplicationLaboratory(REAL)AutomaticControl LaboratorySwissFederal Institute ofTechnology at Lausanne(EPFL)IElectrical servodrive(9x Studenten)LinkLinkLinkComCe Mo 1997 0 3 xEnPox x x x x LV35Remote EngineeringandApplicationLaboratory(REAL), unsicherAutomaticControl LaboratorySwissFederal Institute ofTechnology at Lausanne(EPFL)IThermal processtrainer(9x Studenten)Ce T 2000 0 0 xEnPox x x x x LV36Remote EngineeringandApplicationLaboratory(REAL)AutomaticControl LaboratorySwissFederal Institute ofTechnology at Lausanne(EPFL)I 22 x eElab Ce El 2000 0 - xEnPox x x - - LV37 Remote Engi- Automatic Swiss Federal Institute of I Inverted Pen- Link Ce Ms 2000 0 - x En x x x - - LV

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 249neering andApplicationLaboratory(REAL)Control LaboratoryTechnology at Lausanne(EPFL)dulumLinkLinkPo38 SwissFederal Institute ofTechnology at Lausanne(EPFL)EidgenössischeTechnische HochschuleZürich (ETH)IAutonomousSystems Lab(ASL)Alice mobilerobotsLink Ce Ro 2001 0 - x En - - - - x - - - LV -39 Italy University of Naples UDipartimento diingegnericaelettricaGeographicmeasurementnetworkTIM Me Ms 2000 0 - En - - - - - - - - - - -40 BrazilUniversidade deBrasiliaULaboratorio deAutomacao, Visaoe SistemasInteligentes(LAVSI)Three CoupledWater-Tank-SystemLink Ce Fs 2000 0 - x Po x - x x - - J -41United Statesof AmericaFlorida State University(FSU)UComputer Scienceand EngineeringLogic DesignLaboratoryLink El De 2000 0 - En - - - - - - - - - -42United Statesof AmericaFlorida State University(FSU)UComputer Scienceand EngineeringForce and MotionExperimentLink Me Ki 2000 1 - En - - - - - - - - - -43United Statesof AmericaFlorida State University(FSU)UComputer Scienceand EngineeringElectrical ElementCharacterizationExperimentLink El Ch 2001 2 - En - - - - - - - - - -44United Statesof AmericaFlorida State University(FSU)UDepartment ofMechanicalEngineeringFlow Control ofThree-TanksystemLink Ce Fs 2005 0 - En - - - - - - - - - -45Micro ObservatoryOnline TelescopesUnited Statesof AmericaHarvard UniversityUNetwork of 4remotely controlledtelescopesLink Ce Te 2001 2 1 x En x x x46LinkLinkGermanyHeinrich Heine UniversityDüsseldorfUDeterministischesChaos -TropfenderWasserhahnLink Ch 2003 2 - Ge - - - - - - - - -47 Marvel E-Lab CyprusHigher TechnicalInstitute (HTI)IDepartment ofMechanicalEngineeringSolar energy e-learning laboratoryLink Ce Pl 2005 0 - x En - - - - - x - - - -48 R-Lab CyprusEastern MediterraneanUniversityUElectronic LaboratoryLink El Ae 2003 0 - En - - - - - - - - -49Remote United Statesof Ame-MicroscopyBugsscope ricaUniversity of Illinoisat Urbama-ChampainIImaging TechnologyGroup(ITG)EnvironmentalScanning ElectronMicroscope(ESEM)Link Ce Mi 2000 0 2 x En x x S50United Statesof Ame-RemoteMicroscopyricaUniversity of Illinoisat Urbama-ChampainIImaging TechnologyGroup(ITG)TransmissionElectronMicroscope(TEM)Ce Mi 2000 0 2 x En x x51Internet assistedLaboratories(I-Labs)InternetAssistedLaboratories(I-Labs)GermanyLeibnitz-UniversityHannoverUForschungszentrum L3SProgrammingPicture Drawingwith laser experimentLink Ce Po 2002 0 - En x - - - - - - - J -52Internet assistedLaboratories(I-Labs)InternetAssistedLaboratories(I-Labs)GermanyLeibnitz-UniversityHannoverUForschungszentrum L3SProcess ControlLinkLinkCe Pl 2003 0 - En - - - - - - - - - -53WebLab/iLabiLabsUnited Statesof AmericaMassachusettes Instituteof Technology(MIT)ICharacterisationof microelectronicdevicesPro El Ch 2002 2 - En x - J54 Eudoxos Greece - I Telescopes Link Ce Te 2001 2 0 xEnGrx x x55United Statesof AmericaMercer UniversityUDepartment ofPhysicsMercer UniversityOnlineChaotic PendulumCh 2000 2 1 x En x LV56 SingaporeNational Universityof Singapore (NUS)UUnmanned AerialVehicel(UAV)Helicopter ControlExperimentChung– Webbased…Ce Ro 2001 0 - En - - - - - - - - - -57Web-basedVirtual Laboratory(VLAB)SingaporeNational Universityof Singapore (NUS)UDepartment ofElectrical EngineeringOscilloscopeExperimentLinkChung– Webbased…El M 1999 1 - En - - - - - - - - LV -

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 250Link58 SingaporeNational Universityof Singapore (NUS)UDepartment ofElectrical EngineeringFrequency ModulationExperimentChung– Webbased…LinkEl Ae 2001 0 - En - - - - - - - - LV -59 SingaporeNational Universityof Singapore (NUS)UDepartment ofElectrical EngineeringCoupled TankExperimentChung– Webbased…Ce Fs 2001 0 - En - - - - - - - - LV -60 SingaporeNational Universityof Singapore (NUS)UDepartment ofElectrical EngineeringRoboter SoccerExperimentChung– Webbased…Ce Ro 2001 0 - En - - - - - - - - LV -61Departmentof Mechanical,Aerospace,andManufacturingEngineeringUnited Statesof AmericaNew York University(NYU)UPolytechnic InstituteMechatronicsremote-accesslaboratoryCe Pl 1998 0 - x En x x62United Statesof AmericaNorthern IllinoisUniversity (NIU)UDepartment ofTechnologyUndergraduatedigital electronicslaboratoryLink El De 2007 0 - En - - - - - - - - LV -63Remote LaboratoryeExperimentationtrial (ReLAX)RemoteLabNorwayNorwegian Universityof Science andTechnologyCyberlabURefrigerationProcessLink T 2001 2 1 x En x x LV64RemoteLabCenter ofTechnologyat KjellerNorwayNorwegian Universityof Science andTechnologyUElectronic DeviceLaboratory(Lab-On-Web)Link El Ch 2002 0 - En - - - - - - - - LV -65Lernen undExperimentierenan realentechnischenAnlagen imNetz (Lear-Net)PRT-ProjektGermanyOpen UniversityHagenOUProzesssteuerung und RegelungstechnikInverses PendelCe Ms 2001 0 2 x Ge - - - - - x - - - - -66Lernen undExperimentierenan realentechnischenAnlagen imNetz (Lear-Net)PRT-ProjektGermanyOpen UniversityHagenOUProzesssteuerung und RegelungstechnikPortalkran Ce Po 2001 0 0 x Ge x x x J67Reale Systemeim VirtuellenLaborGermanyOpen UniversityHagenOUProzesssteuerung und RegelungstechnikOmnidirektionales FahrzeugLinkLinkLinkLinkCe Ro 2001 0 - x Ge - - - - - x - - - J -68Reale Systemeim VirtuellenLaborGermanyOpen UniversityHagenOUProzesssteuerung und RegelungstechnikRoboter Ce Ro 2001 0 - x Ge - - - - - x - - - J -69Reale Systemeim VirtuellenLaborGermanyOpen UniversityHagenOUProzesssteuerung und RegelungstechnikSPS-Rail Ce Ro 2001 0 - x Ge - - - - - x - - - J -70 GermanyOpen UniversityHagenOUComputer ArchitectureDigital LaboratoryLink El De 2001 0 - Ge - - - - - - - - J -71OregonState UniversityControl LaboratoryUnited Statesof AmericaOregon State UniversityU Roboter TE Ce Ro 1996 0 - En - - - - - - - - -72United Statesof AmericaPurdue UniversityUFlow threw multi-pipesMe St 2005 0 - En - - - - - - - - - - -73RemoteControlledLaboratoriesQueensboroughCommunity CollegeUUnited Statesof AmericaMichelson-InterferometerEd Wo 2001 1 1 x En - - - - - x - - - - -74Internet assistedLaboratories(I-Labs)Online RemoteLabsin Heat andPowerTechnologySwedenRoyal Institute ofTechnology (KTY)ILinear CascadeRemote LabLink Me St 2002 0 2 x En - - - - x x - - - -75Internet assistedLaboratories(I-Labs)Online RemoteLabsin Heat andPowerTechnologySwedenRoyal Institute ofTechnology (KTH)I Water Table Ce Po 2002 0 - x En - - - - - x - - - - -

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 25176 Turkey Firat University UDepartment ofElectronicsEducationControl of inductionmotorTE Ce Mo 2009 0 - En - - - - - - - - - - LV -77Slovak RepublicTechnical Universityof OstravaTUDepartment ofControl Systemsand InstrumentationHeating System,IntelligenthouseLink Ce Pl 2001 0 - Ge - - - - - - - - - -78Lernen undExperimentierenan realentechnischenAnlagen imNetz (Lear-Net)GermanyRuhr University BochumULehrstuhl fürAutomatisierungstechnikund ProzessinformatikRegelung undSteuerung hydraulischerAntriebeCe Pr 2000 0 - Ge - - - - - - - - - -79Remote LaboratoryeExperimentationtrial (ReLAX)GermanyRuhr University BochumULehrstuhl fürelektrischeSteuerung undRegelungKugelballanciererOptical TrackingplantLinkLinkProProProCe Po 2000 0 - x Ge - - - - - x - - - J -80United Statesof AmericaSamford UniversityUPhysics DepartmentAmpere´s Law Link Ed Ms 2002 1 - x En - - - - x - - - LV -81Internet assistedLaboratories(I-Labs)United Statesof AmericaStanford UniversityUStanford Centerfor Innovationsin LearningProcess engineeringplantLink Ce Pl 2002 0 - En - - - - - - - - - -82United Statesof AmericaStanford UniversityUDepartment ofElectrical EngineeringDeparting Departmentof AppliedPhysicsOptical Processor(Fourier-Transform withLenses)Link Ed Wo 2002 0 - En - - - - - - - - - -83StevensOnline LaboratoryEnvironmentsUnited Statesof AmericaStevens Institute ofTechnologyIMechanical Vibrationsin oneor two degreesof freedomEsche– An … Me Ms 2001 1 1 x En x x LVPro8485StevensOnline LaboratoryEnvironmentsStevensOnline LaboratoryEnvironmentsUnited Statesof AmericaUnited Statesof AmericaStevens Institute ofTechnologyStevens Institute ofTechnologyI Liquid-Level Pro Ce Fs 2001 0 1 x En x x LVI Duct Acoustics Pro Me Ms 2001 1 1 x En x x LV86StevensOnline LaboratoryEnvironmentsUnited Statesof AmericaStevens Institute ofTechnologyIBeam DeflectionTOCHI Me Em 2001 0 1 x En x x LV87StevensOnline LaboratoryEnvironmentsUnited Statesof AmericaStevens Institute ofTechnologyIElectrical SystemPro El Ae 2001 0 - En - - - - - - - - - -88 MarvelSolar plantof TechnicalCollegeIIDelmenhorstGermanyHigher TechnologicalInstitut NicosiaTechnical College IIDelmenhorstIFull scale solarheating plantand laboratoryCe Pl 2002 0 2 x Ge - x - x - - - - -89 GermanyTechnische UniversitätBergakademieFreibergTUWebbasierteModelleisenbahnCe Ro 1995 0 - x Ge - - - - - x - - - - -90eLearningAcademicNetwork(ELAN)GermanyTechnical Universityof ClausthalTUInstitut of ElectricalInformationTechnology(IEI)One and twodimensionalposition controlPro Ce Po 2002 0 - Ge - - - - - - - - J -91eLearningAcademicNetwork(ELAN)GermanyTechnical Universityof ClausthalTUInstitut of ElectricalInformationTechnology(IEI)Two-tank systemPro Ce Fs 2002 0 - Ge - - - - - - - - J -92eLearningAcademicNetwork(ELAN)GermanyTechnical Universityof ClausthalTUInstitut of ElectricalInformationTechnology(IEI)Industrial Robot Pro Ce Ro 2002 0 - Ge - - - - - - - - J -93eLearningAcademicNetwork(ELAN)PROMISEprojectGermanyTechnical Universityof ClausthalTUInstitut of ElectricalInformationTechnology(IEI)Red CircleGame (additivecolour mix)Link Ed Op 2003 1 - Ge - - - - - - - - J -94 Practical Ex- United The Open Universi- OU Institute of Optical Link Ce Sp 2002 1 - En - - - - - - - - J -

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 252perimentationby AccessibleRemoteLearning(PEARL)Kingdomty (OU)Zenon AutomationTechnologiesEducationalTechnologySpectrometer95Practical Experimentationby AccessibleRemoteLearning(PEARL)IrelandTrinity College DublinUSchool ofComputer Scienceand StatisticsComputer visionexperiments(mistakeson printedcircuitboard)Link Ce Ro 2002 0 - En - - - - - - - - J -96The University ofTennessee atKnoxville (UTK)UDepartment ofPhysics andAstronomyUnited Statesof AmericaGamma-SpektrometerCe Sp 2003 2 - En - - - - - - - - - -97The TelelabsProjectAustraliaThe University ofWestern Australia(UWA)USchool of MechanicalEngineeringThe UWA TelerobotLinkTaylor– A …LinkCe Ro 1994 0 - x En - - - - - x - - - LV -98 AustraliaThe University ofWestern Australia(UWA)USchool of MechanicalEngineeringHeat control ofelectric ironLink Ce T 2003 0 - En - - - - - - - - LV -99 AustraliaThe University ofWestern Australia(UWA)USchool of MechanicalEngineeringTorsional VibrationsLink Me Ms 2003 0 - En - - - - - - - - LV -100AutomaticControl Telelab(ACT)ItalyUniversità degliStudi di SienaUDipartimento diIngegneriadell'InformazioneDC Motor –Position andSpeed ControlLinkLinkComCe Mo 2002 0 2 x En x x x x J x101AutomaticControl Telelab(ACT)ItalyUniversità degliStudi di SienaUDipartimento diIngegneriadell'InformazioneMagnetic Levitation– Stableand UnstableConfigurationLinkLinkComCe Po 2002 0 2 x En x x x x J x102AutomaticControl Telelab(ACT)ItalyUniversità degliStudi di SienaUDipartimento diIngegneriadell'InformazioneWater Tank –Flow and LevelControlLinkLinkComCe Fs 2002 0 2 x En x x x x J x103AutomaticControl Telelab(ACT)ItalyUniversità degliStudi di SienaUDipartimento diIngegneriadell'InformazioneHelicopter Simulator– 2 DOFHelicopter ControlLinkLinkComCe Po 2002 0 2 x En x x x x J x104Library ofLabs (LiLa)Nanoworld Swiss Universität Basel UDepartment ofPhysicsAtomic ForceMicroscope(AFM)LinkLinkCe Mi 2004 2 2 x En - - - - - x x - - LV -105ExperimenteGermanyUniversität KarlsruheUInstitut für Hydromechanik,Lanik, Laboratorium für Gebäudeund UmweltdynamikGebäudekonfiguration imWindkanalMe St 1997 0 0 xGeEnSpx x x x J106E-Experimenteren+ProjectNetherlandsUniversity AntwerpenUMagnetic DomainsSp 2005 0 2 x En x x x x - LV107 Germany University Bremen UResearch Centerfor Work,Environmentand Technology(artec)Welding robot Link Ce Ro 2004 0 - Ge - - - - - - - - - - - -108 Lab@Future Germany University Bremen UResearch Centerfor Work,Environmentand Technology(artec)Remote Laboratoryfor FluidDynamicsLinkLinkCe Fs 2005 0 - En - - - - - - - - - - J -109WebexperimentsE-Experimenteren+ProjectNetherlandsUniversity of AmsterdamUFresnel DiffractionLink Ed Wo 2005 0 2 x Du x x x x -JLV x110WebexperimentsE-Experimenteren+ProjectNetherlandsUniversity of AmsterdamUX-ray fluorescenceLink Ce Sp 2005 0 2 x En x x x xJLV x111WebexperimentsE-Experimenteren+ProjectNetherlandsUniversity of AmsterdamULaser-DopplerAnemometryLink Me St 2005 0 2 x En x x x xJLV x112E-Experimenteren+ProjectNetherlandsUniversity of AmsterdamUWeather stationesEl M 2005 0 0 x En x x J x113E-Experimenteren+ProjectNetherlands- USpeed of Lightand the DopplereffectLink Ed Wo 2005 1 - x En x x x x LV x114E-Experimenteren+ProjectNetherlands- U Measuring e/m Link Ed Ms 2005 1 - x En x x x x LV x

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 253115PulselektronikGermanyUniversity of AppliedScienceAachenUASElektrotechnikund InformationstechnikIngmediaVersuche zurPulselektronikLink El M 2004 0 - Ge - - - - - - - - - - LV -116 GermanyUniversity of AppliedScienceAachenUASIngmediaBestimmungvon Kapazitätund Verlustfaktoreines KondensatorsrBreitschuh– Internet…LinkEl Ch 2004 2 - Ge - - - - - - - - - - LV -117 GermanyUniversity of AppliedScienceAachenUASIngmediaCharacteristicsof resistorsBreitschuh– Internet…LinkEl Ch 2004 1 - Ge - - - - - - - - - - LV -118Düsseldorfer TelelaborGermanyUniversity of AppliedScience DüsseldorfUASInterbusgesteuerte WerkstückprüfstationLink Ce Pl 2001 0 3 xEnGex J x119Düsseldorfer TelelaborGermanyUniversity of AppliedScience DüsseldorfUASSteuerungsprogrammierungnach IEC61131 (ES)Link Ce Ro 2003 0 3 xEnGex J x120Düsseldorfer TelelaborGermanyUniversity of AppliedScience DüsseldorfUAS Anlage im Netz Ce Pl 2003 0 3 xEnGex J x121Düsseldorfer TelelaborGermanyUniversity of AppliedScience DüsseldorfUASSteuerung imNetzCe Pl 2003 0 3 xEnGex J x122Düsseldorfer TelelaborGermanyUniversity of AppliedScience DüsseldorfUASHubeinheit mitLean Web Automation(webprogr.Steuerung)Ce Po 2003 0 3 xEnGex J x123 ControlNet24Control-Netunter moduls/modul01GermanyUniversity of AppliedScienceNordostniedersachsen/UniversitätLü-UASneburgProgrammierung einer AbschervorrichtungCe Po 2004 0 - x Ge x x LV124 ControlNet24Control-Netunter moduls/modul06GermanyUniversity of AppliedScienceNordostniedersachsen/UniversitätUAS Klimakammer Ce T 2004 0 1 x Ge x x LVLü-neburg125 ControlNet24Control-Netunter modules/modul03GermanyUniversity of AppliedScienceNordostniedersachsen/UniversitätLü-UASneburgKennlinienAsynchronmotorCe Mo 2004 0 1 x Ge x x LV126Verbund VirtuellesLabor(VVL)Automatisierte Anlagenund InformatikvirtuellerSystemeunterBasic LabassignmentsGermanyUniversity of AppliedScience ReutlingenUASRemote controlof a cartesianhandling systemCe Po 2002 0 - xEnGeRu- - - - - - x - - - - -127Verbund VirtuellesLabor(VVL)Automatisierte Anlagenund InformatikvirtuellerSystemeGermanyUniversity of AppliedScience ReutlingenUASRemote Controlof a ball separationunitCe Po 2002 0 - xEnGeRu- - - - - - x - - - - -128Verbund VirtuellesLabor(VVL)Automatisierte Anlagenund InformatikvirtuellerSystemeGermanyUniversity of AppliedScience ReutlingenUASRemote controlof robospiderEyeWalkerCe Ro 2002 0 - xEnGeRu- - - - - - x - - - - -129Verbund VirtuellesLabor(VVL)Automatisierte Anlagenund InformatikvirtuellerSystemeGermanyUniversity of AppliedScience ReutlingenUASRemote measurementofworkpieces anddynamics determinationof arobotCe Ro 2002 0 - xEnGeRu- - - - - - x - - - - -130Verbund VirtuellesLabor(VVL)Automatisierte Anlagenund InformatikvirtuellerSystemeGermanyUniversity of AppliedScience ReutlingenUASRemote controlof robodog AI-BOCe Ro 2002 0 - xEnGeRu- - - - - - x - - - - -131ExperimentonlinePolandUniversity of BiałystokULaboratory ofMagnetismStudy of MalusLaw and FaradayeffectEJP Sp 2002 2 2 xEnPxx

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 254132ExperimentonlinePolandUniversity of BiałystokULaboratory ofMagnetismRegistration ofmagnetic hysteresisloopEJP Sp 2002 2 2 xEnPxx133ExperimentonlinePolandUniversity of BiałystokULaboratory ofMagnetismObservation ofmagnetic domainsEJP Sp 2002 0 2 xEnPx x x134SelfLab@HomeCanadaUniversity of Calgary(UofC)UDepartment ofElectrical andComputer EngineeringTraffic LightCircuitLinkLinkCe El 2004 0 - En - - - - - - - - - - -135SelfLab@HomeCanadaUniversity of Calgary(UofC)UDepartment ofElectrical andComputer EngineeringOscilloscope Link El M 2004 1 - En - - - - - - - - - - -136SelfLab@HomeCanadaUniversity of Calgary(UofC)UDepartment ofElectrical andComputer EngineeringWaveform GeneratorLink El Ae 2004 0 - En - - - - - - - - - - -137SelfLab@HomeCanadaUniversity of Calgary(UofC)UDepartment ofElectrical andComputer EngineeringElectronic LaboratoryLink El Ae 2004 0 - En - - - - - - - - - - -138 WebshakerUnited Statesof AmericaUniversity of CaliforniaSan Diego(UCSD)U Webshaker Me Ms 1999 2 1 x En x x J139InternetShared InstrumationLaboratory(ISILab)Italy University of Genoa UActive derivatorcircuit, Activeintegrator circuitLinkiJOEProEl Ae 2004 0 1 x En x J140InternetShared InstrumationLaboratory(ISILab)Italy University of Genoa UCommon emittersingle stageamplifier, Comer, Commonemitter singlestage amplifierwith a resistancein theemitter, Comparison betweentwo types ofcommon emittersingle stageamplifiersLinkiJOEProEl Ae 2004 1 1 x En x J141InternetShared InstrumationLaboratory(ISILab)Italy University of Genoa UTransistorworking as aswitch, Switchwith speed-upLinkiJOEProEl Ae 2004 2 1 x En x J142InternetShared InstrumationLaboratory(ISILab)Italy University of Genoa U8 bit AD/DA(LF), 8 bitAD/DA (MF), 8bit AD/DA(HF), 4 bitAD/DA (LF), 4bit AD/DA(MF), 4 bitAD/DA (HF)LinkiJOEProEl De 2004 0 1 x En x J143InternetShared InstrumationLaboratory(ISILab)Italy University of Genoa UHigh-pass filter,Low-passfilter, Half-Wave activerectifierLinkiJOEProEl Ae 2004 2 1 x En x J144InternetShared InstrumationLaboratory(ISILab)Italy University of Genoa UInverting Amplifier,Non InvertingAmplifier,Invertingamplifier withbipolar class Boutput stageLinkiJOEProEl Ae 2004 0 1 x En x J145InternetShared InstrumationLaboratory(ISILab)Italy University of Genoa UComplementary-symmetrystage, Complementarysymmetrystagewith cross-overdistortion compensationLinkiJOEProEl Ae 2004 0 1 x En x J146Virtual FluidsLaboratoryUnited Statesof AmericaUniversity of IowaUVirtual FluidsLab (VFL)Link Me St 1999 2 3 x En x x x - - LV -147Remote didacticLaboratory(RemLab)ItalyPolitecnico di MilanoUDepartment ofElectrical EngineeringÜbertragungsfunktionpassiverZweipoleTOIM El Ae 2002 0 - En - - - - - - - - - - J -

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 255148Java BasedInternet forTelerobotics(JBIT)ItalyUniversity ofPadovaUDepartment ofInformation EngineeringJava Based Internetfor Telerobotics(JBIT)Ce Ro 2001 0 - En - - - - - - - - - - - -149United Statesof AmericaWestern MichiganUniversity (WMU)UElectrical andComputer EngineeringDepartmentElectronic laboratoryTIM El Ae 2005 2 - En - - - - - - - - - - -150United Statesof Ame-University of ArkansaricaUDepartment ofIndustrial EngineeringRFID TLT Ed Ew 2009 2 - En - - - - - - - - - - J -151 Italy University of Sannio UCharacteristicsof magneticmaterials (hysteresis)TIM Sp 2008 2 -EnGeFrSpItRoCr- - - - - - - - - - LV -152 IrelandNational Universityof Ireland (NUI)GalwayUElectrical andElectronicalEngineeringPower electronicslaboratoryTE El Ae 2005 0 - En - - - - - - - - - - LV -153Roboticsand IntelligentMachinesLaboratory(RIMLab)Italy University of Parma UDipartimento diIngegneriadell'InformazioneTelerobot Link Ce Ro 2003 0 - En - - - - - - - - - - ? -154 Marvel eLabs PortugalUniversity of Porto(FEUP)URemote lab forelectronics designand testLink El Ae 2005 0 - En - - - - - - - - - - LV -155eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)UMechanical MaterialCharacterisationiJOEiJOEMe Em 2006 2 1 x En x x x LV156eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)UStraightnessevaluationiJOE Me M 2007 1 1 x En x x x LV157eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)ULevel MeasurementandControl of twotank-systemiJOE Ce Fs 2007 0 1 x En x x x LV158eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)UTemperaturePID control in ametal cylinderiJOE Ce T 2007 0 1 x En x x x LV159eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)UMonitoring of astone masonrybridgeiJOE Me Em 2007 0 1 x En x x x LV160eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)UForce calibrationprocedureiJOE Me M 2006 1 1 x En x x x LV161eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)UCoupled oscillatorsiJOE Me Ms 2007 1 1 x En x x x LV162eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)UBuoyancymeasurementiJOE Me M 2007 1 1 x En x x x LV163eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)UTemperatureCalibration procedureT 2007 1 1 x En x x x LV164eLabsRemoteLab(LIM)PortugalUniversity of Porto(FEUP)UMeteorologicalStationiJOE El M 2007 0 0 xEnPoHuxLV165eLabsRemoteLab(LIM)PortugalUniversity of Porto(FEUP)UMichelson InterferometeriJOE Ed Wo 2007 1 - x En - - - - - - x LV166eLabsRemoteLaboratories@ UpPortugalUniversity of Porto(FEUP)URemote Controlof light functionsof a PorscheCe El 2006 0 - x En - - - - - - x - - - LV -167 PortugalPolytechnic Instituteof Porto (IPP)ISchool of EngineeringLinear variabledifferentialtransformer (inductivepositiontransformer)Link El Ae 2005 0 - x En - - - - - - x - - - LV -

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 256168Laboratoriodi ElaborazionedeiSegnalie delle Informazionidi Misura(Lesim)Italy University of Sannio UFaculty of EngineeringTransient Meter Ed Ms 2000 0 0 x It x x J169Laboratoriodi ElaborazionedeiSegnalie delle Informazionidi Misura(Lesim)Italy University of Sannio UFaculty of EngineeringOscilloscope El M 2002 1 2 x En x x - J170Laboratoriodi ElaborazionedeiSegnalie delle Informazionidi Misura(Lesim)Italy University of Sannio UFaculty of EngineeringMesssystemVXIEl M 2002 0 2 x It x x J171Laboratoriodi ElaborazionedeiSegnalie delle Informazionidi Misura(Lesim)Italy University of Sannio UFaculty of EngineeringIndustrial plant Ce Pl 2002 0 2 x It x x J172Laboratoriodi ElaborazionedeiSegnalie delle Informazionidi Misura(Lesim)Italy University of Sannio UFaculty of EngineeringSpectrum andNetwork analyzerEl M 2002 0 2 x En x - - - x x J173 NetLab AustraliaUniversity of SouthAustraliaUSchool of Electricaland InformationEngineeringRC TransientAnalysisiJOE El Ae 2005 2 2 x En x x x J174 NetLab AustraliaUniversity of SouthAustraliaUSchool of Electricaland InformationEngineeringAC PhasorAnalysisiJOE El Ae 2005 2 2 x En x x x J175 NetLab AustraliaUniversity of SouthAustraliaUSchool of Electricaland InformationEngineeringSeries ResonantCircuitiJOE El Ae 2005 2 2 x En x x x J176 NetLab AustraliaUniversity of SouthAustraliaUSchool of Electricaland InformationEngineeringRC Filter iJOE El Ae 2005 2 2 x En x x x J177 MEFLab AustraliaUniversity of SouthAustraliaUSchool of Electricaland InformationEngineeringMicroelectronicsFabrificationLaboratoryiJOE - - 2008 0 - En - - - - - - - - - - LV -178United Statesof AmericaUniversity ofSouthern CaliforniaU The Telegarden Ce Ro 1995 0 - x En - - - - - - x - - - -179MercuryprojectUnited Statesof AmericaUniversity ofSouthern CaliforniaURoboterLinkLinkCe Ro 1994 0 - x En - - - - - - x - - - -180Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsCoupled PendulaLink Me Ms 2007 1 1 xEnGexLV181Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsOscillating CircuitEl Ae 2007 2 1 xEnDePexLV182Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsDouble Slit Ed Wo 2007 1 1 xEnDexLV183Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicse/m apparatus Ed Ms 2007 1 1 xEnDexLV184Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsCapacitor Ed Es 2007 1 1 xEnDexLV185Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsThermodynamicsLinkLinkT 2007 1 1 xEnDexLV186Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsEM-Radiation Ed Ew 2007 1 1 xEnDexLV187 Library of Remote Germany University of Tech- TU Institut of solid RAMAN Ce Sp 2007 0 1 x En x x LV

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 257Labs (LiLa) Farm nology Berlin (TUB) state physics spectroscopyNADe188Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsRadioactivity Np 2007 1 1 xEnDexLV189Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsSolar Cell Link El Ch 2005 2 1 xEnDePexLV190Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsTransistor El Ch 2007 1 1 xEnDexLV191Library ofLabs (LiLa)RemoteFarmGermanyUniversity of TechnologyBerlin (TUB)TUInstitut of solidstate physicsHysteresisLinkLinkLinkSp 2005 2 1 xEnDeRuPexLV192Reale Systemeim VirtuellenLaborGermanyUniversity of TechnologyDortmundTU 3-Tank Ce Fs 2001 0 - x Ge - - - - - - x - - - -193Lernen undExperimentierenan realentechnischenAnlagen imNetz (Lear-Net)LearNetGermanyUniversity of TechnologyDresdenTUInstitut für Automatisierungstechnik3-Tank-System Ce Fs 2002 0 1 x Ge x x x x194InteraktiverVersuchsstand- AbfüllanlageGermanyUniversity of TechnologyDresdenTUInstitut für AutomatisierungstechnikAbfüllanlage Ce Fs 2002 0 1 x Ge x x x x x S195RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsElectron DiffractionLinkAJPQp 2001 1 3 xEnGeFrItxX196RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsRutherfordsScattering ExperimentLinkAJPNp 2007 1 3 xEnGexX197RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsMillikan´s ExperimentLink Ap 2007 1 3 xEnGeItxX198RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsPhotoelectricalEffectLink Qp 2005 1 3 xEnGeItxX199RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsSemiconductorCharacteristicsEl Ch 2007 1 3 xEnGeItxX200RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsDiffraction andInterference IEd Wo 2006 1 3 xEnGeItxx201RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsDiffraction andInterference IILinkLinkEd Wo 2009 1 3 xEnGeItxx202RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsOptical ComputedTomography- - 2007 0 3 xEnGexx203RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsOptical Fourier-TransformationEd Wo 2009 0 3 xEnGexx204RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsRadioactivity Link Np 2006 1 3 xEnGeFrxX205RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsRobot in a MazeLink Ce Ro 2005 0 2 xEnGexx206RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsToll System - - 2005 0 2 xEnGeFrItxx207RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsHot Wire I Link Ce Ro 2005 0 2 xEnGexx208 Remotely Remotely Germany University of Tech- TU Study group of Oscilloscope El M 2007 1 3 x En x x

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 258ControlledLaboratories(RCLs)ControlledLaboratories(RCLs)nology Kaiserslauterndidactics inphysicsGeIt209RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyTUStudy group ofdidactics inphysicsSpeed of LightUniversity of TechnologyKaiserslauternPdN-PhiSEJPEd Op 2006 1 3 xEnGeItxX210RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsWorld PendulumLinkEJPAJPMe Ms 2008 1 3 xEnGexx211RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsWind Tunnel Me St 2006 1 3 xEnGexX212RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsHot Wire II Ce Ro 2005 0 -EnGexx213Lernen undExperimentierenan realentechnischenAnlagen imNetz (Lear-Net)LearnetMünchenGermanyUniversity of TechnologyMünchen(TUM)TUDepartment ofElectrical Engineeringand InformationTechnologyTeleschwebenmit haptischemFeedbackLink Ce Po 2004 0 3 x Ge x x x J214Remote EngineeringandApplicationLaboratory(REAL)REAL –RemoteEngineeringandApplicationLaboratoryGermanyUniversity of TechnologyIlmenauTUFachgebiet IntegrierteKommunikationsystemeFahrstuhlmodellCe Po 2005 0 0 x En x J215Remote EngineeringandApplicationLaboratory(REAL)REAL –RemoteEngineeringandApplicationLaboratoryGermanyUniversity of TechnologyIlmenauTUFachgebiet IntegrierteKommunikationsystemeSidac BearbeitungseinheitCe Ro 2005 0 0 x En x J216Ferngesteuertes InternetPraktikumSchaltsysteme(FIPS)GermanyUniversity of TechnologyIlmenauTUInstitut fürTechnische InformatikundIngenieurinformatikLaufkatze Link Ce Po 2002 0 - Ge - - - - - - - - - - J -217ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UControl of VoltageCe El 1995 0 0 xEnGeFrx x LV218ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UControl ofSpeedCe Po 1995 0 0 xEnGeFrx x LV219ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UControl ofPressureCe Pr 1995 0 0 xEnGeFrx x LV220ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)U Control of Flow Ce Fs 1995 0 0 xEnGeFrx x LV221ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UProcess Dynamic- PressureCe Pr 1995 0 0 xEnGeFrx x LV222ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanoog(UTC)UProcess Dynamic- PositionCe Po 1996 0 0 xEnGeFrx x LV223ResourceCenter forEngineeringLabora-United Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UProcess Dynamic- LevelCe Fs 1996 0 0 xEnGeFrx x LV

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 259tories onthe Web224ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UProcess Dynamic- SpeedCe Po 1995 0 0 xEnGrFex x LV225ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UProcess Dynamic- FlowCe Fs 1996 0 0 xEnGeFrx x LV226ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UProcess Dynamic- VoltageCe El 1997 0 0 xEnGeFrx x LV227ResourceCenter forEngineeringLaboratoriesonthe WebUnited Statesof AmericaUniversity of Tennesseeat Chattanooga(UTC)UProcess Dynamic- TemperatureCe T 1998 0 0 xEnGeFrx x LV228RemotelyControlledLaboratories(RCLs)RemotelyControlledLaboratories(RCLs)GermanyUniversity of TechnologyKaiserslauternTUStudy group ofdidactics inphysicsSemiconductorCharacteristics- Students projectEl Ch 2007 1 3EnGeItxx229E-Experimenteren+ProjectNetherlandsUniversity of Twente(UT)UMichelson InterferometerLink Ed Wo 2006 1 1 x En x x x x - - LV -230E-Experimenteren+ProjectNetherlandsUniversity of Twente(UT)UElectrical fieldof a dipol (deBol)Link Ed Es 2005 1 1 x En x x x x - - LV -231 AustraliaUniversity of Wollongong(UOW)USchool of Electrical,Computer& TelecommunicationsEngineeringRobotoy Ce Ro 1999 0 1 x En x232United Statesof AmericaWilkes University U PUMAPaint Ce Ro 1999 0 - En - - - - - - - - - - -233United Statesof AmericaEmporia State University(ESU)UDropballTPTLinkJCSCMe Ki 2004 1 - En - - - - - - - - - - -234W3R3 ProjectUnited Statesof AmericaUniversity of CaliforniaLos Angeles(UCLA)UUCLA Vision-LabRoboter Link Ce Ro 1995 0 - En - - - - - - - - - - -235BradfordRobotic TelescopeUnitedKingdomUniversity of BradfordUEngineeringDesign andTechnologyMehrere TeleskopeLink Ce Te 1994 2 - x En x x x x236 ChinaHong Kong Instituteof Vocational Education(IVE)IDigitale ElektronikLink El De 2004 0 - En - - - - - - - - - - LV -237 TurkeyYildiz TechnicalUniversityTUDepartment ofElectrical EngineeringSingle PhasePFC CircuitLink El Ae 2006 0 - En - - - - - - - - - - -238United Statesof AmericaUniversity of Houston(UH)UEngineeringTechnologyDepartmentSpectrum ofLED and LaserdiodeLink Sp 2005 2 - En - - - - - - - - - - LV -239United Statesof AmericaUniversity of Houston(UH)USpectrum ofLED and Laserdiode,Attenuationin opticalfiberLinkTEEl M 2005 0 - En - - - - - - - - - - LV -240 France INSA Lyon IICTT LaboratoryElectronic LaboratoryLink El Ae 2004 0 - En - - - - - - - - - - J -241 France INSA Lyon IICTT LaboratoryVertical Store Link Ce Po 2003 0 - Fr - - - - - - - - - - J -242 France INSA Lyon IICTT LaboratoryControlledelectrical ovenPro Ce T 2005 0 - En - - - - - - - - - - J -243UnitedKingdomUniversity of OxfordUChemistry DepartmentSpectrum of differentlightsourcesLink Ce Sp 2004 1 - En - - - - - - - - - - LV -244 RomaniaTranssilvania Universityof BrasovUCharacteristicsof transistorLink El Ch 2006 2 - En - - - - - - - - - - LV -245 Romania Transsilvania Uni- U Characteristics iJOE El Ch 2009 2 - En - - - - - - - - - - LV -

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 260versity of Brasovof solar cell246 IndiaIndian Institute ofTechnology GuwahatiIDepartment ofElectronics andComminicationEngineeringModulation vonSignalenLink El Ae 2006 2 - En - - - - - - - - - - LV -247 IndiaIndian Institute ofTechnology GuwahatiIDepartment ofElectronics andComminicationEngineering2Electronic rectifierLink El Ae 2006 2 - En - - - - - - - - - - LV -248 CroatiaUniversity of ZagrebUFaculty of ElectricalEngineeringand ComputingMagnetichysteresisiJOE Sp 2006 2 -EnItCrRo- - - - - - - - - - LV -249 Link SingaporeNanyang TechnologicalUniversity(NTU)USchool of Electricaland Elec-Optical Communicationwithtronic EngineeringsolitonsLinkLinkEl M 2003 0 - En - - - - - - - - - - LV -250 Link SingaporeNanyang TechnologicalUniversity(NTU)USchool of Electricaland ElectronicEngineeringInverted PendulumLinkLinkCe Ms 2003 0 - En - - - - - - - - - - LV -251 Link SingaporeNanyang TechnologicalUniversity(NTU)USchool of Electricaland ElectronicEngineeringCoupled-TankLinkiJOECe Fs 2001 0 - En - - - - - - - - - - LV -252United Statesof AmericaJames MadisonUniversityUDeterminationof speed of light(oscillating circuit)TPT Ed Op 1999 1 - En - - - - - - - - - - LV -253 GermanyUniversity of AppliedScience,Technology andDesign WismarUASDepartment ofEngineeringand informationtechnologyRemotecontrollableultrasonicmeasuringequipmentLink Me Ac 2000 0 - En - - - - - - - - - - LV -254UnitedKingdomLiverpool JohnMoores University(JMU)USchool of EngineeringCoupled TankSystemLink Ce Fs 2000 0 - En - - - - - - - - - - LV -255United Statesof AmericaIndiana UniversitySoutheastUSchool of NaturalScienceSpectrum analyzerfor electricalsignalsLink El M 2005 0 - En - - - - - - - - - - J -256United Statesof AmericaIndiana UniversitySoutheastUSchool of NaturalScienceData transmissionof digitalsignalsLink El De 2005 0 - En - - - - - - - - - - J -257United Statesof AmericaIndiana UniversitySoutheastUSchool of NaturalScienceData collectionvia internetLink El M 2005 0 - En - - - - - - - - - - J -258WeblabdeustoSpainUniversity of DeustoUFaculty of EngineeringElektronik Link El Ae 2006 0 - x En x x x x LV259WeblabdeustoSpainUniversity of DeustoUFaculty of EngineeringPneumatik iJOE Ce Pr 2005 0 - En x x x - LV260United Statesof AmericaLousiana StateUniversity (LSU)UDepartment ofPhysics andAstronomieTelescope Link Ce Te 1998 0 - En - - - - - - - - - - J -261United Statesof Ame-Florida Atlantic University(FCE)ricaUCenter for InnovativeDistanceEducationElectrical CircuitsHamsa– Remote…El Ae 2000 2 - En - - - - - - - - - - J -262 GermanyUniversity OsnabrückUDepartment ofPhysicsPolarisiertenLicht und magnetischeOberflächenLinkLinkSp 1998 0 - Ge - - - - - - - - - - J -263United Statesof AmericaUniversity of Texasat El Paso (UTEP)UMechanicalEngineeringElectrical andComputer EngineeringDynamik Systemsand ControlsLaboratory(Wind Tunnel,Venturi Rohr)Link Me St 2000 0 - En - - - - - - - - - - LV -264Matrixassistedlaserdesorption/ionization time-offlight(MALDI-TOF)United Statesof AmericaUniversity of DelawareUMass spectrometerLinkLinkCe Sp 2001 2 - x En - - - - - - x x - - J -265 JapanTokio PolytechnicUniversityUDepartment ofSystem Electronicsand InformationTechnologyBrushless DCMotorLink Ce Mo 2001 0 - En - - - - - - - - - - -266 TelePresen United Sta- U. S. Department of I Argonne Natio- Nuclear Mag- Link Ce Sp 1998 0 0 x En - - - x x J

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 261ce tes of AmericaMicroscopyCallaboratory(TPM)Energy nal Laboratory netic Resonance(NMR)spectroscopy267Slovak RepublicTechnical Universityof OstravaTUDepartment ofControl Systemsand InstrumentationPortal crane,CablewayLink Ce Po 2006 0 - En - - - - - - - - - - -268 JapanTokio MetropolitanInstitute of Technology(TMIT)IDepartment ofProductionControl of DCMotorTE Ce Mo 2004 0 - En - - - - - - - - - - -269 GermanyUniversity of KonstanzUDepartment ofPhysicsPhononspectroscopy insiliconStachel– The…Sp 2003 0 - Ge - - - - - - - - - - -270 GermanyUniversity of KonstanzUDepartment ofPhysicsLockIn experimentStachel– The…El Ae 2003 0 - Ge - - - - - - - - - - -271 GermanyUniversity of KonstanzUDepartment ofPhysicsSolar Cell ExperimentStachel– The…El Ch 2002 2 - Ge - - - - - - - - - - -272South KoreaKongju NationalUniversity (KNU)UDepartment ofPhysicsSpectroscopyof radioactiveradiationLink Ce Sp 2002 2 - En - - - - - - - - - - -273 ArgentinaNational Universityof Rosario (UNR)UFaculty of ExactScience,Engineeringand SurveyingCharacteristicsof transistorsLink El Ch 2007 2 - Sp - - - - - - - - - - S -274 SwedenUniversity of UppsalaUDepartment ofPhysicsPower of a propellerLink Me St 2001 2 - Sw - - - - - - - - - - -275 AustraliaUniversity of MelbourneUDepartment ofMechanicalEngineeringX-Y table systemLink Ce Po 2002 0 - En - - - - - - - - - - - -276InnovativeNano-Visualizationin ScienceandEngineering(IN-VSEE)United Statesof AmericaArizona State University(ASU)Wake Forest UniversityUIN-VSSEScanning ProbeMicroscope(SPM)LinkLinkLinkCe Mi 1999 0 - En - - - - - - - - - - J -277United Statesof AmericaUniversity of MinnesotaUControl of telescopeat MITHaystack ObservatoryLinkLinkLinkAJPCe Te 2001 0 - x En - - - - - - x - - - ? -278UnitedKingdomUniversity of ManchesterUSchool ofComputer ScienceMobile Robot Link Ce Ro 1996 0 - En - - - - - - - - - - - -279The IntegratedRemoteLaboratoryEnvironment(IRLE)United Statesof AmericaUniversity of Illinoisat Urbama-ChampainUMechanicalScience andEngineeringAerodynamics -Jet Thrust LaboratoryLink Me St 2002 0 - En - - - - - - - - - - LV -280 SpainUniversidadNacional de Educacióna Distancia(UNED)UServo motorLinkLinkCe Mo 2005 0 - En - - - - - - - - - - LV -281 SpainUniversidadNacional de Educacióna Distancia(UNED)UHeat ExchangerLink Ce Pl 2002 0 - En - - - - - - - - - - J -282 SpainUniversidadNacional de Educacióna Distancia(UNED)UDepartimentode Informaticay AutomaticaCoupled Three-Tank-SystemiJOE Ce Fs 2005 0 - En - - - - - - - - - - J -283 SpainUniversidadNacional de Educacióna Distancia(UNED)UDepartimentode Informaticay AutomaticaInverted PendulumiJOE Ce Ms 2004 0 - En - - - - - - - - - - J -284Verbund VirtuellesLabor(VVL)GermanyRoth –University of AppliedScience Aalen UAS Roboterarm Distance…Ce Ro 2002 0 - Ge - - - - - - - - - - ? -285Cosmic Raysin an EuropeanSchool Envirinment(CRESCERE)Portugal University Lisbon UFaculty of Science(FCUL)Lifetime of MyonsLinkLinkPp 2006 2 - En - - - - - - - - - - -286 GermanyUniversity of AppliedScience Berlin UASMedia andNetworksElectronics Link El Ae 2006 0 - Ge - - - - - - - - - - ? -

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 262287AutomatedInternetMeasurementLaboratory(AIM-Lab)United Statesof AmericaRensselaer PolytechnicInstitute(RPI)TUComputer andSystem EngineeringDepartmentCharacteristicsof CMOS transistorsand LEDTEProEl Ch 1999 2 - En - - - - - - - - - - LV -288United Statesof AmericaRensselaer PolytechnicInstitute(RPI)ISingle PendulumPro Ce Ms 2001 0 - En - - - - - - - - - - - -289United Statesof AmericaRensselaer PolytechnicInstitute(RPI)IDouble PendulumPro Ce Ms 2001 0 - En - - - - - - - - - - - -290United Statesof AmericaRensselaer PolytechnicInstitute(RPI)IInverted PendulumPro Ce Ms 2001 0 - En - - - - - - - - - - - -291United Statesof AmericaUniversity of CaliforniaBerkeleyUIndustrial EngineeringandOperations ResearchInteractiveWebcamLink Ce Ro 2003 0 - En - - - - - - - - - - J -292United Statesof AmericaSan Jose StateUniversity (SJSU)UDepartment ofElectrical Engineering10 circuits in aelectronic LaboratoryStrasilla–Real …El Ae 2004 0 - En - - - - - - - - - - LV -293 UkraineNational TechnicalUniversity ofUkraine (NTUU)TUMeasurementof time-of-flightof electricalsignalLink El M 2006 0 - En - - - - - - - - - - - -294 UkraineNational TechnicalUniversity ofUkraine (NTUU)TUCharacteristicsof transistorand diodeLink El Ch 2006 1 - En - - - - - - - - - - - -295 FranceInstitut de Rechercheen Communicationset Cybernétiquede NantesIControl ofelectrical motorLink Ce Mo 2008 0 - Fr - - - - - - - - - - - -296 GreeceInformatics and TelematicsInstituteI Gas laws Link T 2005 1 -EnGr- - - - - - - - - - J -297 GreeceInformatics and TelematicsInstituteIInverse Law ofLight IntensityLink Ed Op 2005 1 -EnGr- - - - - - - - - - J -298 GreeceInformatics and TelematicsInstituteIMagnetic fieldof a coilLink Ed Ms 2005 1 -EnGr- - - - - - - - - - J -299 GreeceInformatics and TelematicsInstituteIDigital circuitslaboratoryLink El De 2005 0 -EnGr- - - - - - - - - - J -300 GreeceNational TechnicalUniversity of AthenTUSchool of Electricaland ComputerEngineeringRemote RoboticLaboratoryLinkTOECe Ro 2006 0 - En - - - - - - - - - - J -301DSP-basedRemoteControlledLaboratorySloveniaUniversity of MariborUFaculty of ElectricalEngineeringand ComputerScienceRC-OscillatorLinkTOIEEl Ae 2006 0 - xEnSx x x x x LV302DSP-basedRemoteControlledLaboratorySloveniaUniversity of MariborUFaculty of ElectricalEngineeringand ComputerScienceSpeed controlof DC motorTOIE Ce Mo 2007 0 2 xEnSx x x x x LV303DSP-basedRemoteControlledLaboratorySloveniaUniversity of MariborUFaculty of ElectricalEngineeringand ComputerScienceControl of nonlinearmechanism/Cascadecontrol of DCmotorTOIE Ce Mo 2007 0 - xEnSx x x x x LV304DSP-basedRemoteControlledLaboratorySloveniaUniversity of MariborUFaculty of ElectricalEngineeringand ComputerScienceTeleoperationof mechatronicdeviceTOIE Ce Pl 2007 0 2 xEnSx x x x x LV305 SpainUniversity PolytechnicValencia(UVP)UDepartment ofSystem EngineeringandControlRoboter Link Ce Ro 2005 0 - En - - - - - - - - - - - -306 SpainUniversity PolytechnicValencia(UVP)UDepartment ofSystem EngineeringandControlControlled shakertableLink Ce Ms 2005 0 - En - - - - - - - - - - - -307 ChinaZhejang University(ZJU)USchool of ContinuingEducationAnalog circuitexperimentsLink El Ae 2006 0 - En - - - - - - - - - - -308 ChinaZhejang University(ZJU)USchool of ContinuingEducationDC and asynchroneouselectromotorexperimentLink Ce Mo 2006 0 - En - - - - - - - - - - -309 ChinaZhejang University(ZJU)USchool of ContinuingEduca-Rectificationand zero volt-Link El Ae 2006 0 - En - - - - - - - - - - -

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 263tionage experiments310 ChinaZhejang University(ZJU)USchool of ContinuingEducationElevator controlexperimentLink Ce Po 2006 0 - En - - - - - - - - - - -311 ChinaZhejang University(ZJU)USchool of ContinuingEducationTriple Tankcontrol experimentLink Ce Fs 2006 0 - En - - - - - - - - - - -312 ChinaZhejang University(ZJU)USchool of ContinuingEducationFan and platesystemLink Ce Po 2006 0 - En - - - - - - - - - - -313RemoteAccess LaboratoryIrelandUniversity of LimerickUElectronicComputer EngineeringMicroelectroniccircuitsiJOEiJOEEl De 2009 0 - x En x x x x314 ChinaZhejang University(ZJU)USchool of ContinuingEducationInverted PendulumLink Ce Ms 2006 0 - En - - - - - - - - - - -315 MaroccoHassan II UniversityCasablancaUFaculty of ScienceRutherfordScatteringLink Np 2009 1 - En - - - - - - - - - - -316 ItalyInstituto Struturadella Materia RomeICrystallographywith X-RaysLink Ap 2009 0 0 xEnItxxJLV317 SpainUniversity Collegeof Engineering ofVitoriaUBall and HoopSystemLinkLinkCe Po 2009 0 - Sp - - - - - - - - - - LV -318 Greece University of Patras UDigital SignalProcessing(DSP) LaboratoryiJOEiJOEEl De 2008 0 - En - - - - - - - - - - LV -319 FranceUniversity Bordeaux1UElectrical LaboratoryLink El Ae 2006 0 - x Fr x x x - - - -320 FranceUniversity of Saint-EtienneUniversity of LyonUAntenna workbenchiJOE Ed Ew 2002 0 - En - - - - - - - - - - J -321Slovak RepublicSlovak University ofTechnology in Bratislava(STU)TUThree-Tank-SystemiJOE Ce Fs 2008 0 - En - - - - - - - - - - S -322 Labnet SpainUniversidad Europeade MadridULevel ControlsystemiJOE Ce Fs 2007 0 - Sp - - - - - - - - - - -323 Labnet SpainUniversidad Europeade MadridUTemperatureControl SystemiJOE Ce T 2007 0 - Sp - - - - - - - - - - -324 Labnet SpainUniversidad Europeade MadridUShip StabilizingSystemiJOE Ce Po 2007 0 - Sp - - - - - - - - - - -325ACEL WeblabSerbia University of Nis UFaculty of ElectronicEngineeringVelocity ControlDepartment of SystemAutomatic ControliJOE Ce Po 2008 0 - En - - - - - - - - - - LV -326ACEL WeblabSerbia University of Nis UFaculty of ElectronicEngineeringDepartment ofAutomatic ControlMagnetic LevitationiJOE Ce Po 2008 0 - En - - - - - - - - - - LV -327Slovak RepublicTechnical Universityof OstravaTUDepartment ofControl Systemsand InstrumentationControllableMagnetLink Ce Po 2006 0 - En - - - - - - - - - - -328Engineering RemoteLaboratoryProgramAustraliaUniversity of TechnologySydney(UTS)TUEngineeringCoupled WaterTank systemiJOE Ce Fs 2008 0 0 x En x x x x x x J329Engineering RemoteLaboratoryProgramAustraliaUniversity of TechnologySydney(UTS)TUEngineeringMicrocontrollerdesigniJOE El De 2008 0 0 En x x x - x J330Engineering RemoteLaboratoryProgramAustraliaUniversity of TechnologySydney(UTS)TUEngineeringBeam DeflectioniJOE Me Em 2008 0 0 x En x x x x x x J331Engineering RemoteLaboratoryProgramAustraliaUniversity of TechnologySydney(UTS)TUEngineeringDynamic andControl pneumaticsiJOE Ce Pr 2008 0 0 En x x x - x J332Engineering RemoteLaboratoryProgramAustraliaUniversity of TechnologySydney(UTS)TUEngineeringProgrammableHardware designiJOE El De 2008 0 0 x En x x x x x x J

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 264333Engineering RemoteLaboratoryProgramAustraliaUniversity of TechnologySydney(UTS)TU Engineering Shaker Table Ce Ms 2008 0 0 x En x x x x x x J334Cosmic Raysin an EuropeanSchool Envirinment(CRESCERE)CRESCEREPortugal University Lisbon UFaculty of Science(FCUL)Cosmic raystelescope forMyons detectionPp 2002 2 2 xEnPox x LV335Cosmic Raysin an EuropeanSchool Envirinment(CRESCERE)ItalyInstituto Nazionalidi Fisica NucleareILaboratorioNazionali diFrascatiSpeed of cosmicraysPp 2002 2 2 x It x x

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 265X.6 Besucherzahlen des RCL-Portals

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 266X.7 Veröffentlichungen zum RCL-Projekt• Englische ZeitschriftenartikelGröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Experimenting from a distance - RemotelyControlled Laboratory (RCL).In: European Journal of Physics, Jg. 28, H. 3, Special theme issue, S. 127-141.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): World Pendulum - a distributed RemotelyControlled Laboratory (RCL) to measure the Earth's gravitational acceleration dependingon geographical latitude.In: European Journal of Physics, Jg. 28, H. 3, S. 603-613.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Remotely Controlled Laboratories -aims, examples, and experiences.In: American Journal of Physics, Jg. 76, H. 4, Special theme issue, S. 374-378.Eckert, B.; Gröber, S.; Jodl, H.-J. (2009): Distance education in physics via the internet.In: American Journal of Distance Education, Jg. 23, H. 3, S. 125-138.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2010): Experimenting from a distance - determinationof speed of light by a Remotely Controlled Laboratory (RCL).In: European Journal of Physics, Jg. 31, H. 3, S. 563-572.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2010): Experimenting from a distance incase of Rutherford scattering.In: European Journal of Physics, Jg. 31, H. 4, S. 727-733.Gröber, S.; Jodl, H.-J. (2010): A collection of problems for physics teaching.In: European Journal of Physics, Jg. 31, H. 4, S. 735-739.• Deutsche ZeitschriftenartikelAltherr, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2005): Experimentieren aus der Ferne -Ferngesteuertes Labor im Internet.In: Praxis der Naturwissenschaft - Physik in der Schule, Jg. 54, H. 6, S. 40-46.Altherr, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Experimentieren aus der Ferne -Ferngesteuertes Labor im Internet (Remotely Controlled Laboratory – RCL).In: Plus Lucis 2006, H. 1-2, S. 28-35.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Das Photonenmodell des Lichts. EineLerneinheit mit Lernzirkeln und einem Remotely Controlled Laboratory (RCL).In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 56, H. 2, S. 12-19.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Modellierung von Übergängen zwischenOrdnung und Unordnung - in Kristallen mit einem Remotely Controlled Laboratory(RCL).In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 56, H. 3, S. 25-32.

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 267Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Das Weltpendel. Ein Remotely ControlledLaboratory (RCL) zur Messung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung.In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule (PdN-PhiS), Jg. 56, H. 7, S. 38-43.Gröber, S.; Vetter, M.; Lütkefedder, Arne; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2009): Beugung und Interferenzals Remotely Controlled Laboratory (RCL).In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 58, H. 1, S. 43-47.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2009): Rutherford-Streuung als RemotelyControlled Laboratory (RCL).In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 58, H. 4, S. 41-44.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2009): Messung der Lichtgeschwindigkeitals Remotely Controlled Laboratory (RCL).In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 58, H. 7, S. 38-41.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2010): Experimente zur Radioaktivität - alsRemotely Controlled Laboratory (RCL).In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 59, H. 2, S. 44-47.• Englische KonferenzbeiträgeEckert, B.; Altherr, S.; Vetter, M.; Jodl, H.-J. (2005): Remotely Controlled Laboratory(RCL) - Experimenting from a Distance.First EPEC, 04.07.-07.07.2005, Bad Honnef, http://www.physik.unimainz.de/lehramt/epec/jodl.pdf.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Modelling transitions between orderand disorder in a Remotely Controlled Laboratory (RCL).In: van den Berg, E.; Ellermeijer, T.; Slooten, O. (Hg.): GIREP Conference 2006, Modellingin Physics and Physics Education, 20.08.-25.08.2006, Amsterdam, Niederlande. Amsterdam:University of Amsterdam, CD: X:/html/files/Groeber_6_1_edit.pdf.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Modelling transitions between orderand disorder in a Remotely Controlled Laboratory (RCL).In: Jurdana-Sepic, R.; Labinac, V.; Zuvic-Butorac, M.; Susac, A. (Hg.): Frontiers of physicseducation. Selected contributions. GIREP - EPEC Conference, 26.08.-31.08.2007, Opatija,Kroatien. Rijeka: Zlatni rez, S. 355-360.Gröber, S.; Schuhmacher, Simone; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): World Pendulum.In: Jurdana-Sepic, R.; Labinac, V.; Zuvic-Butorac, M.; Susac, A. (Hg.): Frontiers of physicseducation. Selected contributions. GIREP - EPEC Conference. 26.08.-31.08.2007, Opatija,Kroatien. Rijeka: Zlatni rez, CD: X:/conference papers/102_Grober.Gröber, S.; Vetter, M.; Jodl, H.-J. (2010): Experimenting from a distance in case of diffractionand interference.In: Michelini, M.; Lambourne, R.; Mathelitsch, L. (Hg.): MPTL 14. Multimedia in PhysicsTeaching and Learning. 23.09-25.09.2009, Udine, Italy. Bologna: Società Italiana di Fisica,S. 211-220.

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 268• Deutsche KonferenzbeiträgeAltherr, S; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2004): Remote Controlled Laboratories - Experimentierenaus der Ferne.In: Nordmeier, V.; Oberländer, A. (Hg.): Didaktik der Physik - Düsseldorf 2004. Berlin:Lehmanns Media.Vetter, M.; Gröber, S.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Neues vom Remote Controlled LabProjekt.In: Nordmeier, V.; Oberländer, A. (Hg.): Didaktik der Physik - Kassel 2006. Berlin: LehmannsMedia.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Glas, Florian; Jodl, H.-J. (2007): Der Millikan-Versuchals Remotely Controlled Laboratory (RCL).In: Nordmeier, V.; Oberländer, A.; Grötzebauch, H. (Hg.): Didaktik der Physik - Regensburg2007. Berlin: Lehmanns Media.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Beugung und Interferenz als RemotelyControlled Laboratory (RCL).In: Oberländer, A.; Nordmeier, V. (Hg.): Didaktik der Physik - Berlin 2008. Berlin: LehmannsMedia.• Englische VorträgeJodl, H.-J.; Eckert, B. (2005): Remotely Controlled Laboratories - Experimenting from aDistance.1st EPEC, 04.-07.07.2005, Bad Honnef.Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Remotely Controlled Laboratory - Experimenting from a Distance.Xplora Science Teachers Conference/European Schoolnet (EUN), 16.06.2006, CERN,Genf.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Modelling transitions between orderand disorder in a Remotely Controlled Laboratory (RCL).GIREP Conference, 20.08.-25.08.2006, Universität Amsterdam, Amsterdam, Niederlande.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Modelling transitions between orderand disorder in a Remotely Controlled Laboratory (RCL).GIREP - EPEC Conference, 26.08.-31.08.2007, Opatija, Kroatien.Gröber, S.; Schuhmacher, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): World Pendulum -Measuring g(φ) with a distributed Remotely Controlled Laboratory (RCL).GIREP - EPEC Conference. 26.08.-31.08.2007, Opatija, Kroatien.Gröber, S.; Schuhmacher, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Remotely ControlledLaboratory (RCL) "World Pendulum" to measure the surface gravitational accelerationg depending on latitude ϕ.GIREP Conference/MPTL 13th Workshop, 18.08.-22.08.2008, University von Zypern, Nikosia,Zypern.Jodl, H.-J.; Gröber, S. (2010): Experimenting from a distance - In case of optical Fourier-Transformation.StepsTwo, Eupen´s 12´th General Forum EGF 2010, 02.09.-04.09.2010, Paris.

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 269• Deutsche VorträgeAltherr, S; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2004): Remote Controlled Laboratories - Experimentierenaus der Ferne.DPG Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 15.03.-18.03.2004, Universität Düsseldorf,Düsseldorf.Eckert, B. (2005): Das RemoteLab-Projekt.DPG-Frühjahrstagung - Arbeitskreis Multimedien im Physikunterricht, 10.03.2005, TechnischeUniversität Berlin, Berlin.Vetter, M.; Gröber, S.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2006): Neues vom Remote Controlled LabProjekt.DPG Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 20.03.-22.03.2006, Universität Kassel, Kassel.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Experimentieren aus der Ferne -Remotely Controlled Laboratories (RCLs).Didacta - die Bildungsmesse, 27.02.-03.03.2007, Köln.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Glas, Florian; Jodl, H.-J. (2007): Der Millikan-Versuchals Remotely Controlled Laboratory (RCL).DPG Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 26.03.-30.03.2007, Universität Regensburg,Regensburg.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Beugung und Interferenz als RemotelyControlled Laboratory (RCL).DPG Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 25.02.-29.02.2008, Technische UniversitätBerlin. Berlin.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Bestimmung der Lichtgeschwindigkeitmit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL).DPG-Frühjahrstagung - Arbeitskreis Multimedien im Physikunterricht, 25.02.-29.02.2008,Technische Universität Berlin, Berlin.Gröber, S. (2010): Ferngesteuerte Realexperimente - Schülerinnen und Schüler experimentierenvon zu Hause aus eigenständig über das Internet.Schulen ans Netz, Abschlusskonferenz Naturwissenschaften entdecken!, 24.09.2010,Friedrich-Ebert-Stiftung, Bonn.• Englische PosterAltherr, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2005): Remote Controlled Lab (RCL) on Diffractionand Interference of Light.MPTL 10 - EPS, 05.10.-07.10.2005, Freie Universität Berlin, Berlin.Gröber, S.; Knecht, T.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2008): Rutherford’s scatteringexperiment as a Remotely Controlled Laboratory (RCL).GIREP Conference/MPTL 13th Workshop, 18.08.-22.08.2008, Universität von Zypern, Nikosia,Zypern.

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 270• Deutsche PosterAltherr, S.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2004): Remote Controlled Laboratories.MPTL 9 - EPS, 09.09.-11.09.2004, Universität Graz, Graz, Österreich.Altherr, S.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2004): Remote controlled laboratories.Tagung der Robert-Bosch-Stiftung - NaT-Working, 13.01.-14.01.2004, Harnack-Haus derMax-Planck-Gesellschaft, Berlin.Gröber, S; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007): Remotely Controlled Laboratories(RCLs) im Physikunterricht der Sekundarstufe II.DPG-Frühjahrstagung - Didaktik der Physik, 26.03.-30.03.2007, Universität Regensburg,Regensburg.Gröber, S. (2009): Exploratives Experimentieren mit einem Remotely Controlled Laboratory(RCL).36. Jahrestagung der GDCP, 14.09.-17.09.2009, Technische Universität Dresden, Dresden.• StaatsexamensarbeitenKönig, C. (2005): Remote Control Labs und ihr Einsatz in der Schule.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Glas, F. (2006): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Der Millikan-Versuch.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Söhnlein, (2006): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. U-I-Kennlinien von Halbleiterbauelementen.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Zorn, C. (2006): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Windkanal.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Hoffmann, M. (2007): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Computertomographie.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Klinck, C. (2007): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Radioaktivität.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Knecht, T. (2007): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. RutherfordStreuversuch.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 271Bender, K. (2008): Remotely Controlled Laboratory - Experimentieren aus der Ferne. Fourier-Optik.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Lüttkefedder, A. (2008):Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Beugungund Interferenz.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Schuhmacher, S. (2008): RCL Weltpendel – Experimentieren aus der Ferne.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.Thijs, R. (2008): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Optische Kristallographie.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Technische UniversitätKaiserslautern, AG Didaktik der Physik.• Lehrer-Online-BeiträgeGröber, S.: Remotely Controlled Laboratories (RCLs) im Physikunterricht der SekundarstufeII.In: Schulen ans Netz e. V., Lehrer Online - Unterrichten mit digitalen Medien.Entdeckung des Atomkerns - RCL Rutherfordscher Streuversuch (15.04.2008)Remotely Controlled Laboratories (RCLs) (13.06.2008)Breitengradabhängigkeit von g - RCL Weltpendel (15.10.2008)Aerodynamik von Fahrzeugen - RCL Windkanal (28.01.2009)Licht als Fotonenströmung - RCL Fotoeffekt (05.03.2009)Elektron als Welle - RCL Elektronenbeugung (23.04.2009)Beugung am Gitter - RCL Beugung und Interferenz (14.05.2009)Quantisierung der Ladung - RCL Millikan-Versuch (22.05.2009)Geschwindigkeit von Licht - RCL Lichtgeschwindigkeit (22.05.2009)

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 272X.8 Länder von Besuchen der Standard-Lernumgebungen

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 273X.9 Seitenaufrufe und Besuchsdauer der Standard-Lernumgebungen

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 274X.10 Testbericht der RCLs des RCL-Portals vom Oktober 2010Nr.123RCLBeugung undInterferenz IBeugung undInterferenz IIElektronenbeugungInternetWebcambild 1Webcambild 2Bedienfeldok ok ok okok ok ok okok ok - ok4 Fotoeffekt ok ok - f5ok ok ok ok6 Heißer Draht f - - -7HalbleiterkennlinienLichtgeschwindigkeitok ok ok ok8 Maut f ok - ok910Millikan-VersuchOptische Fourier-Transformationf f - fok ok - f11OptischeComputer- ok ok - oktomographie12 Oszilloskop ok ok - ok13 Radioaktivität ok ok ok ok14Roboter imLabyrinthok ok ok ok15RutherfordscherStreuversuchok ok - ok16a Weltpendel Aden ok ok - ok16b16c16dWeltpendelHermannsburgWeltpendelKaiserseschWeltpendelRigaf ok - okok ok - okf ok - ok17 Windkanal ok ok - okBefunde Laborseite• Multimeternichts anzeigt• Kein BeugungsmusterimWebcambild zu sehenMaßnahmen• Mail an Betreuer mitHinweis Batterie desMultimeters auszutauschen• Keine Betreuung amStandort mehr• Keine Betreuung amStandort mehr• Mail an Betreuer• Fernwartung überTeamviewer und Neustartdes Rechners• Mail an Betreuer• Mail an BetreuerErgebnisse undUrsachen• Ist nicht die Batterie,sonderndas Multimeter.Betreuer verwendetErsatzmultimeterder Schule• Ersetzen des batteriebetriebenendurch netzbetriebenesMultimeter• Probleme mit Internetverbindungkonnten nicht behobenwerden• Videoserver warabgestürzt• Internetverbindungwar blockiertwegenWartungsarbeiten• Studenten hattenNetzwerkkabelvom RCL-Serverentfernt

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 275X.11 Verfügbarkeit und Stabilität der RCLs des RCL-Portals

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 276X.12 Bestimmung der Erdbeschleunigung mit RCL Weltpendel

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 277X.13 Messergebnisse zum RCL Weltpendel Kaisersesch

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 278X.14 Fragebogen zur Fortbildung für LehrkräfteIn der Antwortskala -2, -1, 0, +1, +2 bedeutet -2 die negativste Einschätzung und +2 die positivsteEinschätzung.RCLs1. Wie gut kannten SieRCLs bereits vor derFortbildung?gar nichtdavon gehörtdamitexperimentiertim Unterrichteingesetzt2. Mit welchen RCLs habenSie im Workshopwie gearbeitet?(mehrere Antworten zueinem RCL möglich)ElektronenbeugungMillikan-VersuchLichtgeschwindigkeitRutherfordscher StreuversuchWeltpendelFotoeffektRadioaktivitätBeugung und Interferenz IBeugung und Interferenz IIOszilloskopWindkanalOptische ComputertomographieOptische Fourier-TransformationU-I-KennlinienHeißer DrahtRoboter im LabyrinthMauta) Zugesehen bei der Bedienungb) Selbst bedient ohnequantitative Messungenc) Selbst bedient mit quantitativenMessungen3. Wie gut eignet sich dasRCL für den Unterrichtseinsatz?(-2, -1, 0, 1, 2)Beiträge zu RCLs auf Lehrer-Online1. Wie hilfreich sind die Beiträge für die Planung und Durchführungdes Unterrichts?2. Wie hilfreich sind folgende Informationen des Beitrags?-2 -1 0 +1 +2 a) Steckbrief des RCLs b) Unterrichtseinheit c) Materialien zur Unterrichtseinheit

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 279Fortbildung1. Wie schätzen Sie die Fortbildung bezüglich nachfolgenderPunkte ein?-2 -1 0 +1 +2a) Organisation b) Arbeitsklima c) Beteiligungsmöglichkeiten d) Praxisbezug e) Kommunikation unter den Teilnehmern f) Kommunikation zwischen Referent und Teilnehmern g) Lernzuwachs h) Methodische Gestaltung i) Erfüllung der Erwartungen an den Workshop j) Motivation RCLs im Unterricht einzusetzen Selbstbau von RCLs1. Wie hoch ist Ihr Interesse mit Schülern einen Nachbauoder Neubau eines RCLs zu realisieren?-2 -1 0 +1 +2 2. Welche Unterstützung brauchen Sie für den NachoderNeubau eines RCLs?a) Auswahl von für RCLs geeigneten Versuchsinhaltenund Planung des Versuchsaufbausb) Elektronikkenntnisse zum Messen mit Sensoren undSteuern mit AktorenkeineschriftlicheAnleitungFortbildungsinhalt c) Bestückung der Platine des Interface mit elektronischenBauelementen d) Realisierung mechanischer Komponenten des RCLs e) HTML-Programmierung von Webseiten f) PHP-Programmierung von Webseiten g) Programmierung eines Mikrocontrollers

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 280X.15 Fragebogen zur Verfügbarkeit traditioneller Realexperimente• Bei den angegebenen Versuchen handelt es sich ausschließlich um quantitative Realexperimente(keine IBEs, Simulationen, ...)• Zur Versuchsbeschreibung ist meistens skizziert was gemessen werden soll. Danach ist meistensein markanter Versuchsbestandteil angegeben.• Frage A braucht nur einmal/Schule vom Physiksammlungsleiter oder einem Kollegen, der die Physiksammlunggut kennt ausgefüllt zu werden.• Die Fragen müssen in der Reihenfolge A, B, C, D, E, F beantwortet werden. Bei den Fragen A, Bund D gibt es nur eine Antwortmöglichkeit.Frage A an Physiksammlungsleiter: Ist der Versuch durchführbar? (eine Antwortmöglichkeit)1 durchführbar2 nicht durchführbar, weil Versuch komplett fehlt3 nicht durchführbar, weil Teile des Versuchs fehlen4 nicht durchführbar, weil Teile des Versuchs defekt sind5 nicht durchführbar, weil Beschaffung von Ersatzteilen zu teuer6 nicht durchführbar, weil Ersatzteile nicht mehr beziehbar7 nicht durchführbar, weil sonstigesFrage A B C D E FI. Mechanik1. Eindimensionale Bewegunga) Bewegungsgesetze (mit Fahrbahn)b) Newtonsches Grundgesetz (mit Fahrbahn)c) Impulserhaltungssatz (mit Fahrbahn)d) Energieerhaltungssatz (mit Fadenpendel)e) Energie- und Impulserhaltung mit ballistischem Fadenpendel (mit Geschoß)f) Impulserhaltungssatz beim zweidimensionaler Stoß (mit Luftkissentisch und Videokamera)g) Bewegungsgesetz des freien Falls (mit Messapparatur)2. Kreisbewegunga) Zusammenhänge zwischen Kreisbewegungsgrößen (mit Drehscheibe oder Zentralkraftgerät)b) Radialkraftformel (mit Zentralkraftgerät)3. Drehbewegunga) Bewegungsgesetz gleichmäßig beschleunigte Drehbewegung (mit Kreisscheibe)b) Trägheitsmomentbestimmung (mit Drehgerät)c) Newton´sches Grundgesetz für Drehbewegung (mit Drehgerät)d) Satz von Steinere) Energieumwandlung bei Rotationsbewegung (mit Maxwell´schem Rad)4. Kraftgesetzea) Formel für Newton´sche Reibungskraft (mit Windkanal)b) Formel für Stokes´sche Reibungskraft bzw. Viskosität von Flüssigkeiten (mit Kugelfallviskosimeter)c) Messung des dynamischen Auftriebs (mit Windkanal)d) Messung der Oberflächenspannung (mit Abreismethode)5. Freie Schwingungena) Bewegungsgesetz der harmonischen Schwingung (mit Feder- oder Fadenpendel)b) Zusammenhang von Kreis-und Schwingungsbewegung (Feder- oder Fadenpendel undDrehscheibe)6. Gedämpfte Schwingungena) Messung von Dämpfungsverlauf und -konstante (mit Drehpendel)b) Messung von Dämpfungsverlauf und -konstante (mit Federpendel)7. Erzwungene Schwingungena) Messung der Resonanzkurve (mit Federpendel und Motor)b) Resonanzkurve (mit Drehpendel und Motor)8. Schwebung

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 281a) Schwebung akustischen Wellen (mit Oszilloskop, PC)b) Schwebung von Ultraschallwellenc) Schwebung (mit 2 Faden- oder Federpendeln)8. Gekoppelte Schwingungena) Gekoppelte Schwingung (mit Federpendel)b) Gekoppelte Schwingung (mit Fadenpendel)9. Mechanische Wellena) Erzeugung und Ausbreitung (mit senkrechter Wellenmaschine)b) Erzeugung und Ausbreitung (mit waagrechter Wellenmaschine)c) Zusammenhang c = λf (Wasserwellenwanne mit Stroboskop)d) Brechungsgesetz (Wasserwellenwanne mit Stroboskop)e) Reflexionsgesetz (Wasserwellenwanne mit Stroboskop)f) Interferenz zweier Kreiswellen (Wasserwellenwanne mit Stroboskop)g) Interferenz zweier akustischer Kreiswellen (mit Sinusgenerator und 2 Lautsprechern)10. Dopplereffekta) Frequenzänderung und Sendergeschwindigkeit (mit Ultraschallwellen)b) Frequenzänderung und Sendergeschwindigkeit (mit Wasserwellenwanne und Stroboskop)11. Stehende Wellena) Eigenfrequenzen und Geschwindigkeit (mit Seil und Erregermotor)b) Eigenfrequenz und Geschwindigkeit (mit Schraubenfeder und Erregermotor)c) Eigenfrequenzen und Geschwindigkeit (mit motorbetriebener Wellenmaschine)d) Wellenlänge stehender Schallwellen (mit Mikrofon)e) Wellenlänge stehender Schallwellen (mit Kundt´scher Röhre)13. Gravitationa) Bestimmung der Gravitationskonstanten (mit Gravitationsdrehwaage)b) Bestimmung der Erdbeschleunigung (mit Reversionspendel)c) Bestimmung der Erdbeschleunigung (mit Fadenpendel)II. Quantenphysik1. Photoeffekta) h-Bestimmung (mit Photozelle)b) Intensitätsunabhängigkeit der Elektronenenergie (mit Photozelle)c) h-Bestimmung (mit Leuchtdioden)2. Compton-Effekta) Zusammenhang Wellenlängenänderung und Streuwinkel (mit Röntgengerät mit Mo-Anode, Streukörper, Detektor, Goniometer)3. Elektronenbeugunga) Messungen zur Elektronenbeugung (mit Elektronenbeugungsröhre)4. Unschärferelationa) Unschärferelation von Photonen (mit Hg-Lampe, Glimmerblatt und Rowland-Gitter)III. Thermodynamika) Geschwindigkeitsverteilung in Gasen (mit Modellgas und Motor)b) p-V-Diagramm eines Kreisprozesse (z. B. mit Stirlingmotor)c) Kirchhoff´sches Strahlungsgesetzd) Gesetz von Stefan-Boltzmanne) Umwandlung von mechanischer in Wärmeenergief) Heizwertbestimmung von FlüssigkeitenIV. Elektro- und Magnetostatik1. Coulomb´sches Gesetza) Coulomb´sches Gesetz (mit Elektrofeldmeter)b) Coulomb´sches Gesetz (mit Drehwaage nach Schürholz)c) Coulomb´sches Gesetz (mit elektronischer Kraftmessung)d) Bestimmung der dielektrische Konstanten von Materialien (mit Kondensator)e) Q = CU (mit Kondensator)f) Bestimmung der Elementarladung (mit Millikan-Gerät)

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 2822. Halleffekta) Messungen zum Halleffekt (mit Metallplättchen)b) Messungen zum Halleffekt (mit Halbleiternplättchen)3. Magnetfeldera) Lorentzkraftformel (mit Stromwaage)b) Hysteresekurve von ferromagnetischen Materialien (mit U-Kern, Spulen und Hallsonde)c) Bestimmung des B-Feldes einer Zylinderspule (mit Hallsonde)d) Bestimmung des B-Feldes eines Drahtes (mit Hallsonde)e) Bestimmung des B-Feldes einer Ringspule (mit Hallsonde)4. Ladungsträgerbewegung im E- und B-Felda) Messungen zur Bahnkurve von Elektronen (mit Elektronenstrahlröhre)b) Wien´scher Geschwindigkeitsfilter (mit Elektronenstrahlröhre und Helmholtz-Spulenpaar)c) e/m-Bestimmung (mit Fadenstrahlrohr)5. Induktiona) Induktionsgesetz für A = konst. (mit Dreiecksgenerator, Feld- und Induktionsspule)b) Induktionsgesetz für B = konst. (mit Induktionsschlitten)V. Stromkreise und Elektronik1. Stromkreise und Bauelementea) Zeit-, Frequenz und Amplitudenmessungen von Signalen (mit Oszilloskop)b) Lade- und Entladekurve eines Kondensators (mit RC-Schaltung)c) Ein- und Ausschaltkurve einer Spule (mit RL-Schaltung)d) Resonanzfrequenz 1-Hz-Schwingkreis (mit Spule großer Induktivität)e) Phasenverschiebungen und Amplituden in Wechselstromkreisen (mit RLC-Schaltungen)f) Messung am Transformator im Leerlauf (mit Transformator)g) Messungen am Transformator bei Belastung (mit Transformator)2. Halbleiterbauelementea) Kennlinie von Diodenb) Kennlinien von Transistorc) Kennlinie einer Solarzelle3. Halbleiterschaltungena) Übertragungsfunktion eines DA-Wandlersb) Übertragungsfunktion eines AD-Wandlersc) Übertragungsfunktion von Verstärkerschaltungen (mit Operationsverstärker)VI. Elektromagnetische Wellen1. Mikrowellena) Wellenlängenbestimmung bei stehenden Mikrowellen (mit Metallplatte und Mikrowellensender)b) Brechungsgesetz (mit verschiedenen Objekten und Mikrowellensender)2. Lichtgeschwindigkeita) Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Luft (mit gepulster Leuchtdiode)b) Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Wasser (mit gepulster Leuchtdiode)c) Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Luft (nach Foucault)3. Interferenz von Lichta) Messungen zur Interferenz an dünnen Schichten (mit planparalleler Glimmerplatte)b) Messungen zu Newton´schen Ringen (mit plankonvexer Linse)c) Messungen zur Zweistrahlinterferenz (mit Fresnel´schem Doppelspiegel)d) Messung des Brechungsindex von Gasen und Flüssigkeiten (mit Michelson-Interferometer)e) Messung der Kohärenzlänge (mit Michelson-Interferometer)f) Messung der Lichtwellenlänge (mit Michelson-Interferometer)g) Messungen zum optischen Dopplereffekt (mit Michelson-Interferometer)h) Messungen zum Faraday-Effekt (mit Michelson-Interferometer)4. Beugung von Lichta) Messungen (mit Spalt)b) Messungen (mit Doppelspalt)

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 283c) Messungen (mit Gitter)d) Messungen (mit zweidimensionalen Beugungsstrukturen)e) Messung der Intensitätsverteilung hinter Beugungsobjekten (z. B. mit Fototransistor)f) Bestimmung des Auflösungsvermögens (mit 2 Lichtquellen und Kreisblende)5. Sonstigea) Bestimmung der Kerrkonstanten beim Kerr-Effekt (mit Nitrobenzol oder PLZT-Keramik)VII. Atomphysik1. Quantenhafte Absorption und Emissiona) Energieabstand im Ne-Atom (mit Franck-Hertz-Versuch)b) Energieabstand im Hg-Atom (mit Franck-Hertz-Versuch)c) Absorptionsspektren von Metalldämpfen (Na, Ba, ...)d) Emissionsspektren von Gasen (Hg, Ne, ..)e) Balmerserie des Wasserstoffatoms (mit hochauflösendem Gitter)f) Resonanzabsorption von Natrium (mit Natriumdampf)2. Zeemann-Effekta) Beobachtung (mit Cadmiumlampe und Lummer-Gehrcke-Platte)b) Beobachtung (mit Cadmiumlampe und Fabry-Perot-Etalon)3. Elektronenspinresonanza) Zusammenhang Resonanzmagnetfeldstärke und Resonanzfrequenz (mit ESR-Gerät)b) Resonanzabsorption eines passiven Schwingkreises (mit ESR-Gerät)4. Röntgenstrahlunga) Aufnahme des Röntgenspektrums von Metallen (mit Röntgengerät und Braggmethode)b) Bestimmung von Netzebenenabständen (mit Röntgengerät und Debye-Scherer-Verfahren)c) Bestimmung von Netzebenenabständen (mit Röntgengerät und Braggmethode)d) Symmetrie und Orientierung von Kristallgittern (mit Röntgengerät und Laue-Verfahren)e) Zusammenhang zwischen Beschleunigungsspannung und minimaler Wellenlänge imRöntgenspektrum (mit Röntgengerät und Braggmethode)f) Absorptionsgesetz für Röntgenstrahlen (mit Röntgengerät)g) Moseley-Gesetz und Rydbergkonstante (mit Röntgengerät)h) Röntgenfluoreszenzanalyse von Metallen (mit Röntgengerät)5. Sonstigea) Stern-Gerlach-Versuch (z. B. mit Kaliumatomen und Magnetfeld)b) Auflösung atomarer Strukturen (mit Rastertunnelmikroskop)c) Tunnelstrom in Abhängigkeit vom Abstand (mit Rastertunnelmikroskop)VIII. Kernphysik1. Rutherfordscher Streuversucha) Winkelabhängigkeit N(ϑ) der Streurate (mit Apparatur zum Rutherfordschen Streuversuch)b) Bestimmung der Kernladungszahl (mit Apparatur zum Rutherfordschen Streuversuch)2. Radioaktive Strahlunga) Reichweite von α-Teilchen in Luft (mit Ionisationskammer)b) Energieverlust von α-Teilchen in Luft (mit Vielkanalanalysator)c) Absorptionsgesetz und -konstante (mit ß-Strahler und Geiger-Müller-Zählrohr)d) Absorptionsgesetz und -konstante (mit γ-Strahler und Geiger-Müller-Zählrohr)3. Detektorena) Kennlinie einer Ionisationskammer (mit Ionisationskammer)b) Kennlinie eines Geiger-Müller-Zählrohres (mit Geiger-Müller-Zählrohr)4. Radioaktiver Zerfalla) Zerfallsgesetz und Halbwertszeit (mit Isotopengenerator)b) Radioaktives Gleichgewicht (mit Isotopengenerator)c) Zerfallsstatistik (mit geeigneten Präparaten)5. Spektrena) Aufnahme eines α-Spektrums (mit Halbleiterdetektor)b) Aufnahme eines Feinstruktur-α-Spektrum (mit Silizium-Oberflächensperrschichtdetektor)

X ANHANG zu KAPITEL I-IV und VI 284a) Aufnahme eines β-Spektrum (mit Ablenkung durch Magnetfeld)b) Aufnahme eines γ-Spektrum (mit Szintilisationsdetektor)c) NMR (mit NMR-Betriebsgerät)IX. Festkörperphysika) Sprungtemperatur und Widerstand von Supraleiternb) Bestimmung des Bandabstands eines Halbleitermaterials (mit Temperaturabhängigkeitder Leitfähigkeit)X. Chaotische Vorgängea) Chaotischer Wasserhahnb) Chaotischer elektrischer Schwingkreisc) Chaotisches DrehpendelFrage B: Wie häufig haben Sie die in Frage A mit 1 angegebenen Versuche in bisherigenGrundkursen durchgeführt? (eine Antwortmöglichkeit)0 habe nie oder sehr selten Grundkurse1 in keinem Grundkurs2 nicht in jedem Grundkurs3 in jedem GrundkursFrage C: Warum führen Sie die in Frage B mit 1 angegebenen Versuche nicht durch? (mehrereAntwortmöglichkeiten)1 zu zeitaufwendig in der Vorbereitung2 zu zeitaufwendig in der Durchführung3 zu gefährlich in der Durchführung4 liefert schlechte Messergebnisse5 bin nicht fit auf dem Gebiet6 veraltete Versuchsapparatur7 didaktisch nicht sinnvoll8 sonstigesFrage D: Wie häufig haben Sie die in Frage A mit 1 angegebenen Versuche in bisherigenLeistungskursen durchgeführt? (eine Antwortmöglichkeit)0 habe nie oder sehr selten Leistungskurse1 in keinem Leistungskurs2 nicht in jedem Leistungskurs3 in jedem LeistungskursFrage E: Warum führen Sie die in Frage D mit 1 angegebenen Versuche nicht durch? (mehrereAntwortmöglichkeiten)1 zu zeitaufwendig in der Vorbereitung2 zu zeitaufwendig in der Durchführung3 zu gefährlich in der Durchführung4 liefert schlechte Messergebnisse5 bin nicht fit auf dem Gebiet6 veraltete Versuchsapparatur7 didaktisch nicht sinnvoll8 sonstigesFrage F: Welche der folgenden Physikmedien haben Sie zum Versuchsthema als Ersatz fürden Versuch oder parallel dazu eingesetzt? (mehrere Antwortmöglichkeiten)1 Videoanalyse2 Interaktives Bildschirmexperiment (IBE)3 Messvideo4 Simulation (Applets, Physlets, Simulationsprogramme)5 Remotely Controlled Laboratory (RCL)

XI ANHANG zu KAPITEL IV 285XI ANHANG zu KAPITEL IVXI.1 Interface in BasisschaltungXI.1.1 Schaltplan und BauteillisteAbb. 87 zeigt den Schaltplan der Basisschaltung des Interface und Tab. 57 die dazugehörigeBauteilliste:Abb. 87: Basisschaltung des Interface.Nr. Anzahl Kurzbeschreibung des Bauteils0111Epoxyd-Platine (190x112 mm) mit Anteil Lötpunktraster (Spezialanfertigung)Epoxyd-Fotoplatine, einseitig, 160x100 mm, 1,5 mm, 35 µmEpoxyd-Lochrasterplatine, 160x100 mm, 1,5 mm, 35 µmBest.-Nr. bei ReicheltelectronicEinzelpreisin €- ≈ 10BEL 160x100-1UP 832EP1 1 Hohlstecker-Einbaubuchse, gewinkelt, Lötfahnen, 2,1 mm HEBW 21 0,182 1 D-SUB-Stecker, 9-polig, gewinkelt, RM 9,4 D-SUB ST 09EU 0,293 1 Schottky-Diode, DO41, 40 V, 1 A SB 140 0,084 1 Draht von abgeschnittenem Beinchen aus Pos.-Nr. 3 - -5 1 IC-Sockel, 16-polig, superflach, gedreht, vergoldet GS 16P 0,296 1 IC-Sockel, 40-polig, superflach, gedreht, vergoldet GS 40P 0,617 1 2x10-pol.-Stiftleiste, gerade, RM 2,54 SL 2X10G 2,54 0,078 1 Metallschichtwiderstand, 100 kΩ Metall 100k 0,0829 1 Elektrolytkondensator, 10x16 mm, 470 µF, RM 5,0 mm RAD 470/25 0,061,704,20

XI ANHANG zu KAPITEL IV 28610 1 Elektrolytkondensator, 6,3x11 mm, 100 µF, RM 2,5 mm RAD 100/16 0,0411 5 Elektrolytkondensator, 5x11 mm, 10 µF, RM 2,0 mm RAD 10/35 0,0412 2 Keramik-Kondensator 33 pF Kerko 33p 0,0613 3 Vielschicht-Keramikkondensator, 100 nF, 20 % Z5U-2,5 100n 0,0414 1 Standardquarz, Grundton, 11,0592 MHz 11,0592-HC49U-S 0,1815 1 Spannungsregler, 1 A positiv, TO-220 µA 7805 0,2816 1 Kühlkörper für Gehäuse TO-220, 9,9K/W V FI356 0,6617 1 Zylinderkopfschraube, Schlitz, M3, 10 mm für Kühlkörper M3x10mm 1,6018 2 Sechskantmutter, M3 für Kühlkörper SK M3 0,0119 1 Stecker-Schaltnetzteil, 12 V, 2250 mA MW 3IP25GS 11,5020 1 RS232-Driver, DIL-16 MAX 232 CPE 0,4121 1 ATmega AVR-RISC-Controller, DIL-40 ATmega16-16 DIP 4,2022 3 10-poliger Wannenstecker, RM 2,54, stehend (optional) WSL 10G 0,0923 1 14-poliger Wannenstecker, RM 2,54, stehend (optional) WSL 14G 0,1424 1 40-polige Stiftleiste 1-reihig, gerade, RM2,54 (optional) SL 1x40G 2,54 0,2325 1 Kunststoffgehäuse 198,2x112,4x76,0 mm (Serientyp 202) - ≈ 10 €26 1 D-SUB Nullmodem-Kabel, 9-pol., BU/BU, 3 m AK 143 1,5527 x DIN-Einbaubuchse, 5-pol., Schraubver., 360° (optional) DIO-50W EMS 1,8528 x DIN-Einbaubuchse, 8-polig, Schraubversch., 270° (optional) DIO-80SN EMS 1,8029 x Pfostenstecker, 10-polig, mit Verrieglung, gew. (optional) PSL 10W 0,2830 x Klemmleiste, RM 2,54, Öffnungshebel, 8-polig (optional) Wago 233 2,20Tab. 57: Bauteilliste mit Bestellnummer und Einzelpreisen der Bauelemente bei Reichelt electronic(Stand 23.10.2010).Anhand der Bauteilliste in Tab. 57 können die elektronischen Bauelemente der BasisschaltungNr. 0 – 21 und optional Nr. 22 - 24 bei Reichelt electronic bestellt werden. Das Gehäusedes Interface in Tab. 57 unter Nr. 25 muss vom Hersteller HAGOTECH GmbH bezogen werden.Weiterhin wird ein Nullmodemkabel zur Verbindung des Interface mit dem Computerbenötigt. Sensoren und Aktoren des Experiments können nach Tab. 57 unter Nr. 27 – 30 mitoptionalen Steckverbindern und entsprechende Kabelverbindungen an das Interface angeschlossenwerden. Die Nummern 0 - 25 in Tab. 57 stimmen mit der angegebenen Bestückungsreihenfolgeauf der Platine überein. Das Interface kostet in der Basisschaltung ca. 50€.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 287XI.1.2 Bestückung der PlatineAbb. 88 zeigt zur Bestückung der Platine benötigte Werkzeuge:Abb. 88: Werkzeuge zur Bestückung der Platine des Interface.• Lötkolben mit feiner Spitze in Meißelform 2 mm oder Lötstation (1)• Lötzinnabsauger zum Entfernen von Lötzinn (2)• Nasser Schwamm zum Reinigen der Spitze des Lötkolbens (3)• Lötzinn mit Durchmesser 0,8 - 1,0 mm (4)• Flachspitzzange zum Biegen von Anschlüssen der Bauelemente (5)• Seitenschneider zum Kürzen der Beinchen von Bauelementen (6)• Multimeter zum Prüfen der Funktionsfähigkeit der Schaltung (7)• Sekundenkleber zur Befestigung von Bauelementen• Kleine Bohrmaschine z. B. von Dremel und 0,8 mm Bohrer oder dünne Rundfeile zumWeiten von Löchern auf der Platine des InterfaceAbb. 89 zeigt die Platine des Interface von der Lötseite in der Spezialanfertigung der Elektronik-Werkstattan der Technischen Universität Kaiserslautern und in der Selbstbauvariantenach Tab. 57 unter Nr. 0. Abb. 90 zeigt das Platinenlayout:Abb. 89: Platine des Interface von der Lötseite als Spezialanfertigung (links) und der Selbstbauvariante(rechts).

XI ANHANG zu KAPITEL IV 288Abb. 90: Layout zur Herstellung des geätzten Teils derPlatine in der Selbstbauvariante.In der Selbstbauvariante kann anhand des Platinenlayouts eine selbst geätzte Platine für dieBasisschaltung auf einer Platine im Europakartenformat hergestellt und diese in der Längegekürzt werden. Eine gekürzte Lochrasterplatine bildet den zweiten Teil der Platine.Mit den optionalen vier Wannensteckern nach Tab. 57 unter Nr. 22 - 23 oder den vier Stiftleistennach Tab. 57 unter Nr. 24 an den Ports des Mikrocontrollers können leicht elektrischeVerbindungen zum Rasterteil der Platine herstellt werden. Abb. 91 zeigt die fertig bestücktePlatine mit den Nummern aus Tab. 57:Abb. 91: Bestückte Platine des Interface mit nummerierten Bauelementen.Tab. 58 beschreibt das Einlöten der elektronischen Bauelemente anhand der Nummern ausTab. 57 und in der angegebenen Reihenfolge:

XI ANHANG zu KAPITEL IV 289Nr. Bauelement Beschreibung des Einbaus01Spezialanfertigung und Selbstbauvarianteder Epoxydharz-PlatineStromversorgungsbuchse –Hohlstecker 2,1 mm• Wenn die Lötbeine nicht durch die Löcher der Platine passen, die Löcher miteiner runden Schlüsselfeile aufweiten.• Stromversorgungsbuchse mit Sekundenkleber vor dem Festlöten auf der Platinefixieren, da diese mechanischen Belastungen durch das Einstecken undHerausziehen des 12 V -Steckers ausgesetzt ist.• Wahlweise kann die 2,5 mm-Version der Buchse verwendet werden.234567RS232 DatensteckerDiode – SB140DrahtbrückeIC-FassungenISP-Stiftleiste• RS232 Datenstecker mit Sekundenkleber vor dem Festlöten auf der Platinefixieren, da dieser mechanischen Belastungen durch das Einstecken undHerausziehen des Null-Modem-Kabels ausgesetzt ist.• Alle Beinchen und Befestigungsstifte zur höheren Stabilität anlöten.• Ein Ring an einer Seite der Diode (hier links, weiß) zeigt die Durchlass- bzw.Sperrrichtung der Diode an. Die Position des Ringes entspricht der Positiondes Balkens im Schaltungssymbol.• Auf der Platine muss der Ring auf der von der Stromversorgungsbuchse abgewandtenSeite liegen.• Vor dem Einlöten des 40-poligen IC-Sockels (Nr. 5) muss eine Drahtbrückeunter diesem eingelötet werden. Dazu können die abgeschnittenen Beinchender bereits eingelöteten Diode (Nr. 3) verwendet werden.• Die 16-polige und 40-polige IC-Fassungen besitzen eventuell eine Markierungfür Pin1 (z. B. Kerbe in der Stirnseite, Punkt, Pfeil…) als Hilfe für dasrichtige Einstecken der ICs. Die Markierungen müssen bei beiden Fassungennach oben, also zum nächstliegenden Rand der Platine, zeigen.• Die ICs unbedingt noch nicht einstecken.• Die doppelreihige ISP-Stiftleiste dient der Programmierung des Mikrocontrollersmit dem AVR-ISP-Programmer (ISP steht für In System Programming).• ISP-Stiftleiste auf 2 x 5 Stifte kürzen und mit den kurzen Beinchen einlöten,so dass auf die langen Stifte der AVR-ISP-Programmer gesteckt werdenkann.8• Den 100 kΩ-Widerstand rechts neben der ISP-Stiftleiste einlöten.91011Widerstand 100 kΩElkos• Bei den verwendeten Elektrolyt-Kondensatoren ist die Polung zu beachten(langes Beinchen = Plus-Pol). Weiterhin ist auf den Kondensatoren ein weißerStreifen mit "Minus"-Zeichen aufgedruckt. Die Kondensatoren sollten eineSpannungsfestigkeit von mindestens 16 V, besser 25V besitzen.• Auf der Kupferseite der Platine zeigt die Form der Lötaugen die Polung an:Rundes Lötauge = Plus, quadratisches Lötauge = Minus.• Der 470 µF Kondensator wird mit dem weißen Streifen in Richtung Stromversorgungsbuchsedirekt unter diese montiert.• Der 100 µF Kondensator sitzt direkt unter der 16-poligen IC-Fassung. Seinweißer Streifen (Minus-Pol) zeigt in Richtung der Stromversorgungsbuchse.• Vier der 10 µF Kondensatoren werden links neben der 16-poligen IC-Fassungmontiert. Deren Polung ist wie folgt: Unterster Kondensator Minus nach oben,nächster Kondensator Minus nach unten, die beiden oberen Kondensatorenmit Minus nach oben.• Ein weiterer 10 µF Kondensator wird rechts neben die 16-polige IC-Fassunggelötet. Sein "Minus-Streifen" zeigt nach unten.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 2901213• Die Beschriftung 104 bedeutet 10e4 pF = 100 nF.• Die beiden 33 pF-Kerkos (Keramik-Kondensatoren) werden direkt nebeneinanderrechts neben die 16-polige IC-Fassung gelötet.• Zwei 100 nF-Kondensatoren werden unter dem 470 µF-Elko eingelötet, einweiterer mittig an der linken Seite der 40-poligen IC-Fassung.14Keramik-KondensatorenQuarz• Als Quarz wird ein 11,0592 MHz-Typ verwendet. Bei dieser Frequenz ist einefehlerfreie Kommunikation über RS232 mit 9600 Baud möglich. Für den ATmega16können Quarze bis 16 MHz eingesetzt werden. Details siehe Datenblatt.• Der Quarz wird direkt rechts neben die beiden 33 pF-Kerkos gelötet. Die Orientierungdes Quarz spielt keine Rolle.15• Der Spannungsregler L7805 erzeugt eine stabilisierte Spannung von 5 V. Esmuss ein Kühlkörper zur Wärmeabfuhr vom Spannungsregler verwendetwerden.161718WärmeleitpasteL7805BeinchenPlatineLötenSchraube1. Mutter2. MutterKühlkörper• Vor dem Einlöten zwischen Spannungsregler und Kühlkörper etwas Wärmeleitpasteaufgetragen. Beide Bauteile fest mit einer Schraube M3x10 und einer1. Mutter verschrauben.• Dann den Spannungsregler einlöten, um 90° abzubiegen, das überstehendeGewinde durch das vorgesehene Loch stecken und alles mit einer 2. Mutterauf der Platine befestigen.19Spannungsregler L7805, Kühlkörperund MontageSteckernetzteilFunktionskontrolle vor dem Einsetzen des Mikrocontrollers• Polung der Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos) prüfen.• Sind alle Beinchen angelötet? Hat das Lötzinn an den Beinchen und der Platineguten Kontakt? Sind eventuell zwei benachbarte Beinchen unbeabsichtigtdurch Lötzinn verbunden? Alle Lötverbindungen nochmals genau z. B. mit einerLupe prüfen.• Probeweise das Stecker-Netzteil an die Buchse anschließen: Am 100 nF-Kondensator links mittig der 40-poligen IC-Fassung müssen 5 V anliegen.• Versorgungsspannung unbedingt wieder von der Platine trennen.2021• Die Nuten auf den ICs am linken Rand müssen nach oben zeigen, d. h. Pin1ist bei beiden ICs in der Abbildung links unten und auf der Platine oben links.• Manchmal passen die Beinchen der ICs nicht in die Fassung, weil die Fassungscheinbar zu schmal ist. Dann den IC seitlich mit einer Beinchen-Reiheflach auf den Tisch legen, den IC-Körper links und rechts greifen und Beinchendurch leichten Druck biegen. Einzelne verbogene Beinchen vorsichtigmit einer kleinen Flachzange richten.ICs MAX232 und ATmega16222324Wannenstecker 10- und 14-poligStiftleiste 8-polig• Wannenstecker an den vorgesehenenStellen mit der Nut gegen Verpolungin Richtung des näherliegendenPlatinenrands einlöten.• Die Abbildung rechts zeigt die Pin-Belegung der Wannenstecker.• 40-pol. Stiftleiste in 4 jeweils 8-polige Stücke zerteilen und einlöten.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 29125• In der Selbstbauvariante der Platine (Nr. 0) vor dem Einsetzten der Platine indas Gehäuse passend positionierte Kunststoffstege am Gehäuseboden festkleben.KunststoffgehäuseTab. 58: Bestückung der Platine des Interface mit Bauelementen.XI.2 ErweiterungsschaltungenXI.2.1 ÜbersichtIn Tab. 59 sind von RCLs des RCL-Portals Sensoren und Aktoren mit den dazugehörigenErweiterungsschaltungen zusammengestellt. Da alle RCLs obligatorisch über mindestens eineWebcam verfügen, sind diese unter den Sensoren nicht aufgeführt. Die wenigen Erweiterungsschaltungenfür Sensoren sind unter Sensoren in Klammern aufgelistet. Unter Aktorenwerden außer elektro-mechanischen Wandlern auch gesteuerte Geräte oder Bauelementeverstanden. Anzeigeinstrumente sind unter Aktoren nur aufgeführt, wenn sie direkt vom Interfacegesteuert werden. Die Schaltpläne der mit * gekennzeichneten Erweiterungsschaltungensind in Staatsexamensarbeiten (← Anhang X.7, ▪ Staatsexamensarbeiten) zu finden,alle anderen Schaltpläne sind bei den Autoren des Tutorials erhältlich. Mit ** gekennzeichneteErweiterungsschaltungen befinden sich außerhalb des Interface.RCL Sensoren AktorenBeugung undInterferenz IBeugung undInterferenz IIElektronenbeugungFotoeffekt• Geschaltete Spannungsversorgung• Geschaltete Spannungsversorgung• Steuerung der Hochspannung• 2 Schrittmotorsteuerungen• Geschaltete Spannungsversorgungder Drossel für Quecksilberdampflampe• Schrittmotorsteuerung• Geschaltete Spannungsversorgung• Instrumentenverstärker für X- undY-Ablenkung• Steuerung Spannungs- oder Stromanzeige• 4 TreiberHalbleiterkennlinien*undHalbleiterkennlinien- SchülerprojektHeißer DrahtLichtgeschwindigkeit• Referenz-Taster• 4 Referenz-Taster• Lichtsensor• 2 Referenz-Taster• Photozelle• Referenz-Taster• 4 Endtaster• 4 Drehgeber• Kurzschlusssensor• Drehimpulsgeber• 2 Taster an Endender Eisenbahnstrecke• Schrittmotor (Rotation)• Laser-Modul• 4 Schrittmotoren (Translation)• 5 Laser-Module• LED für Position desLichtsensors• LED für Linealbeleuchtung• Hochspannungsnetzgerät• Hochspannungsnetzgerät• 2 Schrittmotoren (Rotation)• Quecksilberdampflampe• Schrittmotor (Rotation)• Oszilloskop• Oszilloskop• Multimeter• 4 Gleichstrommotoren• Zweifarbige LED• 2 Schrittmotoren• Oszilloskop• Motor der LokomotiveErweiterungsschaltungenfür Aktoren• Schrittmotorsteuerung• Geschaltete Spannungsversorgung• 4 Schrittmotorsteuerungen• Geschaltete Spannungsversorgung• Geschaltete Spannungsversorgung• Steuerung der LED-Farbe• 2 Schrittmotorsteuerungen• Geschaltete Spannungsversorgung• Steuerung des Ein- und Ausschaltensund der Bewegungsrichtung

XI ANHANG zu KAPITEL IV 292MautMillikan-Versuch*Optische Computertomographie*Optische Fou-rier-Transformation*Oszilloskop*Radioaktivität*Roboter imLabyrinthRutherfordscherStreuversuch*Weltpendel*Windkanal*• Infrarot-Sensor• 2 Referenz-Taster• 2 Referenz-Taster• 2 Lichtsensoren• 2 Referenz-Taster• 4 Referenz-Taster• Geiger-Müller-Zählrohr• Infrarot-Sensor• 2 Referenz-Taster• Halbleiterdetektor(Impulsformer**)• Referenz-Taster• Lichtsensor derLichtschranke (Impulsformer**)• Temperatursensor• Referenz-Taster• Dehnungsmessstreifen(Wheatstone´scheBrücke,Messverstärker,Multimeter)• Gleichstrommotor• 2 IR-Fernbedienungen• 2-stellige 7-Segmentanzeige• 2 Schrittmotoren• Lichtquelle (LED) für Millikan-Kondensator• Airbrush-Kompressor• Magnetventil• Millikan-Kondensator• Schrittmotor (Rotation)• Schrittmotor (Translation)• 2 Laser-Module• 2 Schrittmotoren (Translation)• Laser-Modul• Oszilloskop• Signalgenerator• 2 Schrittmotoren (Translation)• 2 Schrittmotoren (Rotation)• 4-stellige 7-Segment-Anzeige• Elektromagnet• 2 Schrittmotoren• Infrarot-Sender• 2 Schrittmotoren (Rotation)• 4-stellige 7-Segment-Anzeige• Schrittmotor (Translation)• Elektromagnet• Laser der Lichtschranke• Schrittmotor (Translation)• Gebläsemotor• Anemometer• Multimeter• Geschaltete Spannungsquelle• Spannungsregler• LED-Treiber**• 2 Schrittmotorsteuerungen• Geschaltete Spannungsversorgung• Geschaltete Spannungsversorgung• Geschaltete Spannungsversorgung• Gesteuertes Hochspannungsmodul• Schrittmotorsteuerung• Schrittmotorsteuerung• 2 geschaltete Spannungsversorgungen• 2 Schrittmotorsteuerungen• Geschaltete Spannungsversorgung• Geschaltete Spannungsversorgung• Steuerung der Signalart• 2 Schrittmotorsteuerungen• 2 Schrittmotorsteuerungen• Treiber**• Geschaltete Spannungsversorgung• 2 Schrittmotorsteuerung• Treiber• 2 Schrittmotorsteuerungen• Treiber**• Schrittmotorsteuerung• Geschaltete Spannungsversorgung• Geschaltete Spannungsversorgung• Schrittmotorsteuerung• Geschaltete Spannungsversorgungund Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation• Geschaltete Spannungsversorgung• Geschaltete SpannungsversorgungTab. 59: Sensoren, Aktoren und Erweiterungsschaltungen der RCLs des RCL-Portals.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 293XI.2.2 TMC222-Modul zur SchrittmotorsteuerungXI.2.2.1 Schaltplan und BauteillisteAbb. 92 zeigt die Beschaltung des TMC222 von Trinamic auf dem TMC222-Modul:Abb. 92: Beschaltung des TMC222 von Trinamic.Anhand der Bauteilliste in Tab. 60 können die elektronischen Bauelemente des TMC222-Moduls bei Reichelt electronic bestellt werden. Ein TMC222-Modul kostet ungefähr 10 €.Nr. Anzahl Kurzbeschreibung des BauteilsBest.-Nr. bei ReicheltelectronicEinzelpreisin €0 1 Epoxyd-Fotoplatine, einseitig, 75x100 mm, 1,5 mm, 35 µm BEL75X100-1 0,961 1 Integrierter TMC-Schrittmotor-Controller TMC 222 SI ≈ 72 1 Elektrolytkondensator, 8x11 mm, Rm 3,5 mm, 100 µF/35 V RAD 100/35 0,043 1 Tantal-Kondensator, Rm 2,5, 1,0 µF/35 V Tantal 1,0/35 0,144 2 Vielschicht-Keramikkondensator 220 nF, 20 % Z5U-2,5 220N 0,115 3 Vielschicht-Keramikkondensator 100 nF, 20 % Z5U-2,5 100N 0,046 2 Metallschichtwiderstand 1,00 kΩ Metall 1,00K 0,0827 1 1x36pol. Stiftleiste, gewinkelt, Rm 2,54 SL 1X36W 0,278 1 1x36pol. Buchsenleiste, gerade, Rm 2,54 BL 1X36G 0,25Tab. 60: Bauteilliste mit Bestellnummer und Einzelpreisen der Bauelemente bei Reicheltelectronic (Stand 23.10.2010).

XI ANHANG zu KAPITEL IV 294XI.2.2.2 Bestückung der PlatineAbb. 93 zeigt die fertig bestückte Platine mit den Nummern aus Tab. 60:Abb. 93: Bestückte Platine des TMC222-Modulsmit nummerierten Bauelementen.Die Platine (35 mm x 30 mm) kann anhand des Layouts in Abb. 94 hergestellt werden. DerIC TMC222 wird auf der Lötseite der Platine aufgelötet. Das TMC222-Modul kann mit derStiftleiste nach Tab. 60 unter Nr. 7 in eine Buchsenleiste nach Tab. 60 unter Nr. 8 auf diePlatine des Interface gesteckt werden.Abb. 94: Platine des TMC222-Moduls von der Lötseite (links) und Layout.XI.2.2.3 Quellcode des Mikrocontroller-ProgrammsIm Folgenden ist der in Pascal erstellte Quellcode zum ansteuern des Schrittmotormodulsdurch den Mikrocontroller angegeben:$regfile = "m16DEF.dat"$crystal = 11059200$baud = 9600'****Definitionen:****Config Scl = Portc.0Config Sda = Portc.1Const Adress = &B11000000Const GetFullstatus1 = &B10000001'Taktleitung'Datenleitung'I2C Adresse des TMC222'Kommando des TMC222

XI ANHANG zu KAPITEL IV 295Const Resetpos = &B10000110Const Motorparameter = &B10001001Const Setposition = &B10001011Dim Puffer(10) As Byte'****Programm:****I2csend Adress , GetFullstatus1I2creceive Adress , 7 , AckPuffer(1) = MotorparameterPuffer(2) = 255Puffer(3) = 255Puffer(4) = &B11110011Puffer(5) = &B01110001Puffer(6) = &B00010000Puffer(7) = 0Puffer(8) = &B00001100I2csend Adress , Puffer(1) , 8I2csend Adress , Resetpos'Kommando des TMC222'Kommando des TMC222'GetFullstatus1 (Initialisierung des TMC222)'Daten in Puffer auslesen'puffer auffüllen'nicht belegt'nicht belegt'1111:irun; 0011:ihold'0111:vmax; 0001:vmin'000:securepos(bit10-8); 1:shaft;'0000:acceleration'securepos(bit7-0)'000:nicht belegt; 0:accshape; 11:stepmode; 00:nicht belegt'aktuelle Position auf 0 setzenPuffer(1) = Setposition'Motor bewegenPuffer(2) = 255'nicht belegtPuffer(3) = 255'nicht belegtPuffer(4) = &B01111111 'position(bit 15-8)Puffer(5) = &B11111111 'position(bit 7-0)´I2csend Adress , Puffer(1) , 5EndXI.2.3 Geschaltete Spannungsquellen und VerbraucherDie Ausgänge des Mikrocontrollers dürfen nur mit Strömen kleiner als ungefähr 20 mA belastetwerden. Verbraucher mit einer Stromlast größer als 20 mA können daher nicht direkt anden Mikrocontroller angeschlossen werden. Abb. 95 zeigt links eine Schaltung zum Schalteneinzelner Verbraucher wie z. B. des Relais und rechts eine Schaltung mit dem IC ULN2803Azum Schalten mehrerer Verbraucher wie z. B. Glühlampen:Abb. 95: Erweiterungsschaltungen zum Schalten eines (links) odermehrerer Verbraucher (rechts).Zu beachten ist, dass der Transistor BC337 maximal 800 mA schalten kann und für größereStröme andere Transistoren verwendet werden müssen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 296XI.2.4 Steuerung von GleichstrommotorenSollen Gleichstrommotoren zum Bewegen von Objekten mit dem Mikrocontroller gesteuertwerden, dann eignet sich dazu der in Abb. 96 dargestellte, beschaltete IC L293D:Abb. 96: Beschaltung des L293D zumSteuern zweier Gleichstrommotoren.Mit Pin 1 = Pin 9 = 1 (High) können zwei Gleichstrommotoren M1 und M2 (VersorgungsspannungU M < 36 V, Spulendauerstrom I M < 600 mA) unabhängig voneinander ein- undausgeschaltet sowie in der Drehrichtung über die Ports PA0 und PA1 für M1 und PA2 undPA3 für M2 gesteuert werden. Z. B. gilt mit PA0 = PA1 = 0 (M1 ausgeschaltet), PA0 = 1 undPA1 = 0 (M1 dreht sich), PA0 = 0 und PA1 = 1 (M1 dreht sich in Gegenrichtung).

XI ANHANG zu KAPITEL IV 297XI.3 Quellcodes zum RCL ElektronenbeugungXI.3.1 Mikrocontroller-ProgrammierungDie hervorgehobenen Abschnitte des Quellcodes in Pascal sind spezifisch für das RCLElektronenbeugung, alle anderen Teile sind für alle RCLs identisch:

XI ANHANG zu KAPITEL IV 298

XI ANHANG zu KAPITEL IV 299

XI ANHANG zu KAPITEL IV 300

XI ANHANG zu KAPITEL IV 301XI.3.2 PHP-ProgrammierungDie hervorgehobenen Abschnitte des Quellcodes in Pascal sind spezifisch für das RCLElektronenbeugung, alle anderen Teile sind für alle RCLs identisch:

XI ANHANG zu KAPITEL IV 302

XI ANHANG zu KAPITEL IV 303XI.3.3Bedienfeld der LaborseiteTab. 61 erläutert die Funktion der Blöcke im Quellcode:ZeilenFunktion1 Datei "default.conf" einbinden2 Datei "head.tpl" einbinden5 - 11 Ausgabe der verbleibenden Experimentierzeit18 - 21 Button zum Einschalten der Elektronenbeugungsröhre28 - 30 Eingabefeld für die Beschleunigungsspannung37 Rückmeldung zur eingegebenen Beschleunigungsspannung42 Datei "foot.tpl" einbindenTab. 61: Funktion der Programmblöcke in der Datei experiment.tpl.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 304XI.3.4Webcamfeld der LaborseiteIn Tab. 62 ist die Funktion der Programmblöcke und die Anpassungen der Vorlage an dasRCL Elektronenbeugung beschrieben:Zeilen Funktion Anpassung RCL Elektronenbeugung5• Titelangabe erscheint als Tabulatorbeschriftung in • Name des RCLs eintragenBrowsern11 - 1516 - 20• Zwei Javascripts zum getrennten Aufrufen zweier Popup-Fenstermit dargestelltem Webcambildern 1 und 2• Javascript 1 die IP-Adresse eintragen• Javascript 2 auskommentiert, weil nicht benötigt24 - 4042 - 60• Zwei Javascripts zum Aktualisieren der Webcambilder • Javascript 2 auskommentiert, weil nicht benötigt1 und 267 - 7179 - 8372 - 7884 - 9091 - 95• Aufrufen des ersten Webcambilds der Webcams 1 und2 beim Aufrufen der Datei• Buttons zum Aufrufen der Screenshots der Webcambilder1 und 2• Zeile der Tabelle zum Eintragen von Informationen, diesich auf die Webcambilder oder den Versuch beziehen• Webcambild 2 auskommentiert, weil nicht benötigt• Button 2 auskommentiert, weil nicht benötigt• Text in Zeile der Tabelle geschriebenTab. 62: Funktionen der Codeabschnitte in der Datei "video.htm" und Anpassung der Vorlagean das RCL Elektronenbeugung.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 305XI.4 Entwicklungsumgebungen zur Mikrocontroller-ProgrammierungIm Folgenden wird die Installation und Konfiguration des AVR-Studios 4.18 und der Bascom1.11.9.8 Demoversion beschrieben. Alle Anleitungen sind zeilenweise von links nach rechtszu lesen.XI.4.1 AVR-Studio 4.18XI.4.1.1 InstallationAuf der Webseite von ATMEL Register AVR Studio 4.18 (build 684) anklicken und Registrierungsformularausfüllen. Danach die Datei AvrStudio4.18Setup herunterladen. Durch Doppelklickauf den Dateinamen die Installation starten:• "Ausführen" wählen.• "Next" wählen.• "I accept …" und "Next" wählen.• Installationsordner und "Next" wählen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 306• "Install/upgrade …" und "Next" wählen.• "Install" wählen. Die Installation beginnt.• "Finish" wählen.XI.4.1.2KonfigurationAVR Studio 4.18 in Windows XP Professional unter Start/Programme aufrufen:

XI ANHANG zu KAPITEL IV 307• Startfenster mit "Cancel" schließen.• Unter Tools/Program AVR "Auto Connect" wählen.• Im eingeblendeten Fenster auf der Registerkarte "Main" alsDevice "ATmega16" und als Programming Mode "ISP mode"wählen.• Optional kann Signatur gelesen werden.• In der Registerkarte "Fuses" alle Häkchen und Auswahlfelderwie angegeben wählen.• Dann "Program" wählen.XI.4.2 BASCOM 1.11.9.8 DemoversionXI.4.2.1 InstallationAuf der Webseite von Bascom unter Bascom AVR Demo die Zip-Datei setupdemo.exe heruntergeladen.Durch Doppelklick auf den Dateinamen die Installation starten:• "Next" wählen.• "I accept the agreement" und "Next" wählen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 308• "Next" wählen.• Installationsordner eingeben und "Next" wählen.• Eintrag im Start-Menü eingeben und "Next" wählen.• "Next" wählen.• "Yes, restart the computer now" und "Finish" wählen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 309XI.4.2.2 KonfigurationBascom AVR in Windows XP Professional unter Start/Programme zum Einstellen der Parameterdes Mikrocontrollers und des Terminals aufrufen:• Options/Compiler/Chip wählen.• Einstellungen wie im Bild vornehmen und "OK" wählen.• Auf der Registerkarte "Communications" Einstellungen wieim Bild vornehmen und "OK" wählen.• Unter Options/Communication Einstellungen wie im Bildvornehmen und "OK" wählen.• File/New wählen.• Unter Tools/Terminal emulator das Terminal aufrufen und"?" eingeben. Die Befehlsliste des RCLs Elektronenbeugungwird angezeigt.XI.5 Installation und Konfiguration von Programmen auf dem RCL-ServerIm Folgenden wird der Download, die Installation und die Konfiguration von Programmen aufdem RCL-Server unter Windows XP Professional beschrieben. Alle Anleitungen sind zeilenweisevon links nach rechts zu lesen. Die Installation der Programme sollte in der angegebenenReihenfolge erfolgen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 310XI.5.1 Einrichten des Internet-ZugangsLAN-Verbindung unter Start/Systemsteuerung/Netzwerkverbindungen aufrufen:• Internetprotokoll (TCP/IP) und "Eigenschaften" wählen.• Folgende IP-Adresse verwenden wählen, IP-Adressen eingebenund "OK" wählen.XI.5.2 Paket XAMPP 1.7.4Unter apache friends - xampp für windows und XAMPP Windows 1.7.4 "Installer" anklickenund Datei "xampp-win32-1.7.4-VC6-installer.exe" speichern. Durch Doppelklick auf die Dateidie Installation starten:• Sprache und "Ok" wählen.• "Ok" wählen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 311• "Weiter" wählen.• Zielverzeichnis mit "Durchsuchen" wählen oder eingeben.• Apache nicht als Dienst installieren..• "Fertig stellen" wählen.• "Ja" wählen.• Zum Starten des Apache Webservers das Control Panelunter Start/Programme/XAMPP 1.7.3 for Windows mit"Start" starten. Anstelle von "Start" erscheint "Running".• Zum Beenden des Apache Webservers "Stop" wählen.Zum Beenden des Control Panels "Exit" wählen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 312XI.5.3 Videoserver webcamXP 5 PrivateAuf der Webseite von Moonware Studios unter webcamXP 5.5.x.x die Datei wlite550 herunterladen.Durch Doppelklick auf den Dateinamen die Installation starten:• "Ausführen" wählen.• "I Agree" wählen.• "Next" wählen.• Außer webcamXP 5 brauchen keine weiteren Komponenteninstalliert zu werden.• Den vorgeschlagenen Ordner und "Install" wählen.• "Finish" wählen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 313• WebcamXP unter Start/Programme aufrufen. ZugesandteLizenz-Daten in das eingeblendete Fenster eingeben und"Register" wählen.• Beim Starten des Programms stellt webcamXP automatischeine Verbindung zu den am Computer angeschlossenenWebcams her.• Nach dem Start ist "Überwachen" gewählt. Durch Rechtsklickmit der Maus auf das Videofenster wird zu jeder Videoquelleein Kontextmenü angezeigt. Wird kein Videobilddargestellt (keine Quelle verbunden) das Kontextmenü aufrufen,Art der Videoquelle wählen (hier USB) und unter denerkannten Videoquellen (hier USB-Videogerät) die gewünschtewählen.• Das Videoformat muss für eine passende Darstellung aufder Laborseite auf 320 x 240 eingestellt sein. Ist das nichtder Fall im Kontextmenü unter "Video Format" einstellen.• In gleicher Weise kann eine zweite Videoquelle hinzugefügtwerden.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 314• In der Registerkarte Web / Broadcast kann unter"Broadcast (HTTP)" der Videoserver mit "Ausschalten" gestopptund mit "Aktivieren" gestartet werden.• Zur Zielwahl des Webservers (131.246.237.167 - Internet,D16W3X3J - Computer, 127.0.0.1 - Local Host) Videoserverstoppen und einstellen. Danach Videoserver wiederstarten.XI.5.4 Terminalprogramm HyperterminalHyperterminal in Windows XP Professional unter Start/Programme/Zubehör/Kommunikationaufrufen:• Name der neuen Verbindung - z. B. Interface - eingebenund "OK" wählen.• Die Verbindung zwischen Computer und Interface wurdeüber einen USB-Seriell-Adapter hergestellt. Dann erscheinenzwei zusätzliche Einträge (Motorola Comp Modem undCOM5) in der Liste. Prinzipiell muss eine COMx-Verbindung gewählt werden.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 315• Eigenschaften von COM 5 wie im Bild einstellen und "OK"wählen.• Datei/Eigenschaften aufrufen und "ASCII-Konfiguration"wählen.• Haken bei "Eingegebene Zeichen lokal ausgeben (lokalesEcho)" setzen, um eingegebenen Zeichen im Hyperterminalzu sehen.• Bei funktionsfähiger Verbindung erscheint nach Eingabevon "? Return" die Befehlsliste des Interface.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 316• Durch Aufrufen von Datei/Speichern die erstellte Verbindungz. B. auf dem Desktop speichern. Dadurch braucht dieVerbindung nicht immer wieder von neuem konfiguriert werden.• Nach Aufrufen von Datei/Beenden die bestehende Verbindungmit "Ja" beenden.• Wurde ein falscher COM-Port gewählt, reagiert das Interfaceauf die Eingabe "? Return" nicht. Hyperterminal dannbeenden.• Der COM-Port kann dann nicht unter Datei/Eigenschaftenim Hyperterminal, aber unter "Eigenschaften" des Kontextmenüsder Datei "Interface.ht" in der Registerkarte "Verbindenmit" geändert werden. Dann "OK" wählen und erneutVerbindung testen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 317XI.5.5 Fernwartungssoftware TeamViewer 6 HostAuf der Webseite von Teamviewer GmbH unter "Für unbeaufsichtigte Server: TeamViewerVollversion" die Datei "TeamViewer_Setup-wq" herunterladen. Das Programm muss auf demRCL-Server und dem Computer, der auf den RCL-Server zugreifen soll, installiert werden.Durch Doppelklick auf die Datei die Installation starten:• "Ausführen" wählen.• "Weiter" wählen.• Für die private, nicht kommerzielle Nutzung ist Teamviewerkostenlos.• privat / nicht-kommerziell und "Weiter" wählen.• Beide Häkchen setzen und "Weiter" wählen.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 318• "Ja" un "Weiter" wählen.• "Weiter"• Computername und Kennwort für den Zugriff auf den RCL-Server oder den eigenen Computer vergeben. Kenn wort notieren.• Ein Teamviewerkonto ist nicht erforderlich. Kann auchspäter noch eingerichtet werden.• ID für den Computer auf dem das Programm installiert wird fürZugriff notieren.• Das Programm wird gestartet. Standardmäßig voreingestelltist der Start des Programms beim Start des Betriebssystems.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 319XI.6 Selbstbau eines elementaren RCLsXI.6.1 Hard- und SoftwareAuch ohne gleich ein vielleicht teures physikalisches Experiment zu steuern, lässt sich mitwenigen Bauelementen ein elementares RCL realisieren. Von einer Webseite im Internet solleneine Leuchtdiode (LED) ein- oder ausgeschaltet sowie der Zustand der Leuchtdiode undeines Tasters abgefragt werden. An Hard- und Software werden benötigt:• 1 Low-Current-LED, 5 mm, 2 mA; 1 Widerstand 1,8 kΩ; 1 Taster und optional zwei 10-polige Wannenstecker mit ungefähr 10 cm passendem Flachbandkabel und Buchsen• Interface in Basisschaltung, Null-Modem-Kabel, 12 V DC Steckernetzteil (← XI.1)• Installierte Bascom-Demo-Version (← XI.4.2)• AVR ISP-Programmer mit 10-poligem Programmierkabel• Installiertes und konfiguriertes AVR Studio 4.18 (← XI.4.1)• Installiertes Paket XAMPP (← XI.5.2)• Texteditor wie z. B. Notepad in Windows XP Professional• Konfigurierte Hyperterminalverbindung (← XI.5.4)XI.6.2 Bestückung der PlatineAbb. 97 zeigt zur Orientierung für das Einlöten der Bauelemente die fertig bestückte Platinedes Interface:Abb. 97: Mit elementarem RCL bestückte Platinedes Interface.LED mit Vorwiderstand und der Taster sind rechts neben dem Mikrocontroller im Lochrasterbereichaufgebaut und über Wannenstecker und Flachbandkabel mit dem Port A des Mikrocontrollersverbunden. Die drei Bauteile rechts neben dem ATmega16 werden nicht benötigt.Tab. 63 erläutert die Schritte zur Bestückung der Platine des Interface:

XI ANHANG zu KAPITEL IV 320Nr. Schaltung Erläuterung1µC PortA.0(PIN40)1K8LED rot• Die Leuchtdiode (LED) mit dem Pluspol (langes Beinchen)an PortA.0 (PIN40 oben rechts) des Mikrocontrollersanlöten.• An das kurze Beinchen einen 1,8kΩ Widerstand löten,dessen anderes Ende mit der Masse (GND) verbinden.µC PortA.1(PIN39)2Taster• Den Taster mit PortA.1 (PIN39 = 2. Beinchen von obenrechts) und Masse (GND) verbinden.31 23Draufsicht• Belegung des 10-poligen Wannensteckers:1: GND (Masse), im Foto oben links2: +5 V3: PortA.04: PortA.1...10: PortA.7, im Foto unten rechtsTab. 63: Schritte zum Aufbau des elementaren RCLs.XI.6.3 Lokal gesteuertes RCLNachfolgend ist der Basic-Programmcode des Mikrocontrollers zur Steuerung und Abfrageder LED und des Tasters angegeben:01 $regfile = "m16DEF.dat" 'Microcontroller ATmega1602 $crystal = 11059200 '11.0592MHz Quarz03 $baud = 9600 'Baudrate0405 '---[ Variables ]---------------------------------------------------------------06 Dim Rs232kommando As String * 10 'erst Befehlspuffer, dann Kommando07 Dim Parameter As String * 10 'Parameter08 Dim Str_pos As Byte 'Position von Leerzeichen, zur Trennung von Kommando und Parameter0910 '---[ Initialisierung ]---------------------------------------------------------11 Ddra.0 = 1 'PortA.0 als Ausgang für LED12 Porta.0 = 0 'LED aus13 Ddra.1 = 0 'PortA.1 als Eingang für Taster14 Porta.1 = 1 'Pull-Up aktivieren1516 '---[ Main program loop ]-------------------------------------------------------17 Do 'Start der Endlos-Schleife1819 If Ischarwaiting() = 1 Then 'Zeichen über RS232 empfangen?20 Input Rs232kommando 'neues Kommando lesen21 Parameter = "" 'Parameter initialisieren22 Str_pos = Instr(rs232kommando , " ") 'Leerzeichen im Kommando suchen23 If Str_pos > 0 Then 'falls Leerzeichen, dann in Kommando+Parameter zerlegen:24 Incr Str_pos 'Str_pos soll jetzt auf 1.Zeichen des Parameters zeigen25 Parameter = Mid(rs232kommando , Str_pos ) 'Parameter = Teilstring nach Leerzeichen26 Parameter = Ucase(parameter) 'in Grossbuchstaben umwandeln, damit unabhängig von Schreibweise27 Str_pos = Str_pos - 2 'Str_pos soll jetzt auf letztes Zeichen des Kommandos zeigen28 Rs232kommando = Left(rs232kommando , Str_pos)'Kommando = Teilstring vor Leerzeichen29 Rs232kommando = Ucase(rs232kommando) 'in Grossbuchstaben umwandeln, damit unabhängig von Schreibweise30 End If3132 Select Case Rs232kommando 'Eventhandler: Interpretation der Kommandos

XI ANHANG zu KAPITEL IV 32133 Case "?" : Print "Hilfe:" 'Hilfeseite anzeigen34 Print "LED on - LED einschalten"35 Print "LED off - LED ausschalten"36 Print "LED? - zeigt Status der LED an"37 Print "SW? - zeigt Status des Schalters an"3839 Case "LED" : If Parameter = "ON" Then 'LED schalten40 Porta.0 = 141 End If42 If Parameter = "OFF" Then43 Porta.0 = 044 End If4546 Case "LED?" : If Porta.0 = 0 Then 'Status der LED ausgeben47 Print "LED aus"48 Else49 Print "LED an"50 End If5152 Case "SW?" : If Pina.1 = 1 Then 'Status des Schalters ausgeben53 Print "Taster offen"54 Else55 Print "Taster geschlossen"56 End If5758 Case Else : Print ">" ; Rs232kommando ;"< ungueltiger Befehl - weitere Infos mit ?" 'Info bei ungültigen Eingaben59 End Select6061 End If6263 Loop 'Endlos-Schleife: Springe zu "Do"6465 End 'wird nie erreicht!Der erste Teil des Programms in den Zeilen 1 - 15 enthält die Systemparameter, Variablenund Initialisierung der Ein- und Ausgänge. Der zweite Teil enthält ab Zeile 17 das Hauptprogramm,in dem Benutzereingaben über die serielle Schnittstelle empfangen, interpretiert undin entsprechende Anweisungen umgesetzt werden. Tab. 64 erläutert den Programmcode detaillierter:Zeilen1 - 36 - 811 - 1417, 6319 - 3032 - 59ErläuterungDiese Angaben teilen dem Compiler (Bascom) mit, welcher Prozessor eingesetzt wird, wie schnell dieser getaktet(Quarz) ist und mit welcher Übertragungsgeschwindigkeit die Kommunikation über die serielle Schnittstelle(RS232) mit dem PC erfolgen soll.Es werden drei Variablen genutzt. Die Eingabe über die serielle Schnittstelle wird in "rs232kommando" gespeichert.Es wird ein Text der Form "Kommando Parameter" erwartet, so dass die Variable "Parameter"denselbigen aufnimmt. Die Variable "str_pos" wird für die Trennung von Kommando und Parameter benötigt.Mit dem Befehl ddrP.X (ddr = data direction) wird festgelegt, ob ein Beinchen als Ausgang (=1) oder als Eingang(=0) arbeiten soll. Der ATmega16 besitzt 32 Ein-/Ausgänge, die in vier Ports (P=A..D) zu je 8 Pins (X=0..7) unterteiltsind. ddrA.0 = 1 legt also das 1. Beinchen (Pin 0) von PortA als Ausgang (=1) fest. Mit dem Befehl PortA.0 =1kann dieser Pin dann durch Zuweisen von 1 oder 0 an- bzw. ausgeschaltet werden. Im Datenblatt erfahren Sie,welches der 40 Beinchen des Mikrocontrollers wie bezeichnet wird (Pin-Belegung). Wird ein Beinchen als Eingangverwendet (ddrA.1 = 0), können Sie optional einen so genannten Pull-Up-Widerstand aktivieren (PortA.1=1) oderdeaktivieren (PortA.1=0). Auch hierzu sollten Sie sich unbedingt mit dem Datenblatt vertraut machen.Das "Hauptprogramm" besteht aus einer Endlosschleife, d. h. der Mikrocontroller verrichtet ununterbrochen seinen"Job", so lange er mit Strom versorgt wird.Falls ein Zeichen über die serielle Schnittstelle empfangen wurde, wird dieses und alle folgenden gelesen. Anschließendwird geprüft, ob der empfangene Text von der Form "Kommando Parameter" ist, sodass er gegebenenfalls in ein Kommando und einen Parameter zerlegt werden kann.Dieser Abschnitt wird mit "Event-Handler" bezeichnet. Hier wird auf die Kommandos (Events) reagiert und die entsprechendenSchritte ausgeführt, z.B. schalten LED, je nach Wert der Variablen "Parameter" an- bzw. ausschalten.

XI ANHANG zu KAPITEL IV 32246, 52In beiden Zeilen wird ein Wert eines Ports abgefragt. Unterschiedlich ist, dass in Zeile 46 der Status eines Ausgangsabgefragt wird (porta.0) und in Zeile 52 der Zustand eines Eingangs (pina.0). Die Anweisung IF porta.0 = 0THEN prüft (hier ist "=" ein Vergleich und KEINE Zuweisung!), ob zuletzt die LED ausgeschaltet (Zuweisung porta.0= 0) wurde. Die Anweisung IF pina.1= 1 THEN liest den Status eines Eingangs. Hier kann festgestellt werden,ob der Eingang über den internen Pull-UP-Widerstand auf +5V liegt (pina.1 liefert 1) oder ob der Schalter den Eingangmit Masse (0V) verbindet (pina.1 liefert 0).Tab. 64: Erläuterung des Mikrocontroller-Programmcodes für elementares RCL.In Bascom AVR eine neue Datei erzeugen (File/New), den Programmcode ohne Kommentareeingeben und mit Program/Compile (F7) eine Hexadezimaldatei erzeugen. Die Hexadezimaldateimit dem AVR-Studio und dem AVR-ISP-Programmer in den Mikrocontroller schreiben(← V.2.1.3, ▪ Programmübertragung). Nach dem Verbinden von Computer und Interfaceper Null-Modem-Kabel kann durch Eingabe von ? in das konfigurierte Hyperterminal die Befehlslistein Abb. 98 aufgerufen werden:Abb. 98: Aufgerufene Befehlsliste im Hyperterminal.Durch Eingabe von "LED on" oder "LED off" kann die LED ein- und ausgeschaltet, "LED?"zeigt den Status der LED und "sw?" den Status des Tasters an. Alternativ zum Hyperterminalkann auch das Terminal in BASCOM unter Tools/Terminal Emulator verwendet werden (←XI.4.2.2).XI.6.4 Ferngesteuertes RCLZum Ansteuern des Interfaces und zum Bedienen des Versuchsaufbaus über das Internetwird eine Webseite benötigt, die dem Benutzer alle Bedienelemente des Experiments zurVerfügung stellt:• Der Benutzer benötigt anklickbare Buttons im Webbrowser.• Der Webserver muss die Information, welcher Button gedrückt wurde empfangen und einentsprechendes Kommando über die serielle Schnittstelle an das Interface senden.Beide Schritte sind im nachfolgenden PHP/HTML-Quellcode zusammengefasst:

XI ANHANG zu KAPITEL IV 32301 02 03 04 05 elementares RCL06 0708 09 3637 Befehl senden:38

XI ANHANG zu KAPITEL IV 324Abb. 99: Laborseite des elementaren RCLs.Im Bedienfeld kann die LED an- und ausgeschaltet sowie der Status von LED und Tasterabgefragt werden.

XII LITERATURVERZEICHNIS 325XIILITERATURVERZEICHNISAden, T. (2009): Google Analytics. Implementieren. Interpretieren. Profitieren.München: Hanser.Altherr, S.; Wagner, A.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2003): Multimedien in der Physik - Datenbankenund Evaluationskriterien.In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 52, H. 3, S. 34–37.Beier, M.; Gizycki, V. von (Hg.) (2002): Usability. Nutzerfreundliches Web-Design.Berlin: Springer (X.media.press).Bender, K. (2008): Remotely Controlled Laboratory - Experimentieren aus der Ferne. Fourier-Optik.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien. Technische UniversitätKaiserslautern, Fachbereich Physik.Boysen, G. (1997): Oberstufe Physik.Ausgabe A, Band 1, Berlin: Cornelsen.Buttkus, B.; Schlichting, H. J.; Nordmeier, V. (1995): Tropfendes Wasser als chaotischesSystem.In: Physik in der Schule, Jg. 33, H. 2, S. 67-71.Demtröder, W. (2006): Experimentalphysik 1. Mechanik und Wärme.4. Aufl., Berlin, Heidelberg, New York: Springer.Eaton, T. W.; Cheetham, D. (1973): A novel design of Rutherford scattering apparatus.In: Physics Education, Jg. 8, H. 2, S. 97-101.Friedrich, F. (2003): Lerntheorien und selbstgesteuertes Lernen.Universität Rostock, Zentrum für Qualitätssicherung in Studium und Weiterbildung. Rostock.Glas, F. (2006): Remotely Controlled Lab - Experimentieren aus der Ferne. Der Millikan-Versuch.Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien. Technische UniversitätKaiserslautern, Fachbereich Physik.Grant, D. J. (2003): Electron-Beam Lithography - From past to present.University of Waterloo. Department of Electrical & Computer Engineering.Gravier, C.; Fayolle, E.; Bayard, B.; Ates, M.; Lardon, J. (2008): State of the art about remotelaboratories paradigms - foundations of ongoing mutations.In: International Journal of Online Engineering. Jg. 4, H. 1, S. 19-25.Grehn, J.; Krause, J. (Hg.) (2007): Metzler Physik.3. Aufl., Hannover: Schroedel.Gröber, S.; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007a): Experimenting from a distance - remotelycontrolled laboratory (RCL).In: European Journal of Physics, Jg. 28, H. 3, S. 127–141.Gröber, S. (2007b): Aufgabensammlung zum RCL Millikan-Versuch.Technische Universität Kaiserslautern.Gröber, S; Vetter, M.; Eckert, B.; Jodl, H.-J. (2007c): Modellierung von Übergängen zwischenOrdnung und Unordnung - in Kristallen mit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL).In: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, Jg. 56, H. 3, S. 25–32.

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329LEBENSLAUFPersönliche DatenName, Vorname:Geburtsdatum, -ort:Familienstand:Gröber, Sebastian10.06.1961, Ludwigshafen/RheinledigSchulausbildung08/1967 - 06/1980 Wolfgang-Ernst-Gymnasium in Büdingen: AbiturBundeswehr10/1980 - 09/1982 Soldat auf Zeit in Homberg/Efze: VermessungsunteroffizierHochschulausbildung10/1982 - 09/1984 Elektrotechnikstudium an der TH Darmstadt10/1984 - 09/1987 Lehramt für Gymnasien (Mathematik/Physik) an derRWTH Aachen: Zwischenprüfung und Vordiplom Physik10/1987 - 06/1991 Lehramt für Gymnasien (Mathematik/Physik) an der Philipps-Universitätin Marburg: 1. StaatsexamenBeruflicher WerdegangVorbereitungsdienst11/1991 - 10/1993Schuldienst02/1994 - 07/2007Abordnungen07/2002 - 07/2008Seit 02/2008Zweitstudium04/2003 - 03/2005Promotion02/2006 - 08/2011Studienreferendar Mathematik/Physik in Bensheim:2. StaatsexamenGymnasiallehrer Mathematik/Physik am Hans-Purrmann-Gymnasium in Speyer: Seit 05/2005 OberstudienratLandesmedienzentrum Rheinland-Pfalz in Koblenz:Lehrerfortbildungen im Bereich MedienbildungTechnische Universität Kaiserslautern: Ausbildung vonStudierenden des Lehramts PhysikWeiterbildendes Fernstudium „Medien & Bildung“ an derUniversität Rostock: Master of ArtsTechnische Universität Kaiserslautern: Dr. rer. nat. derPhysik

330DANKSAGUNGIn den letzten fünf Jahren konnte ich außer der Lehrtätigkeit an der Schule in einem spannendendidaktischen Projekt an der Technischen Universität Kaiserslautern mitarbeiten. Dafürdanke ich der Arbeitsgruppe Didaktik der Physik:Der Dank gilt speziell Prof. Dr. H.-J. Jodl für die gute und freundschaftliche Zusammenarbeitund die gute Betreuung der Arbeit auch in schwierigen Phasen. Dr. Martin Vetter danke ichfür seine allzeitige Hilfsbereitschaft und Unterstützung in allen technischen Fragen des RCL-Projekts. Dr. Bodo Eckert danke ich für die Unterstützung vieler Arbeiten im RCL-Projekt undder Weitergabe seines reichen Erfahrungs- und Wissensschatzes in Lehre und Forschung.Nicht zuletzt gilt mein Dank den Studierenden des Lehramts für Gymnasien ohne deren Engagementwährend Staatsexamensarbeiten das RCL-Projekt nicht hätte realisiert werdenkönnen.