Magnete ziehen sich an einem Ende an und stoßen sich am anderen Ende ab. Jeder Schüler hat das schon selbst ausprobiert und die Kraft der magnetischen Felder gespürt. Welchen komplexen Verlauf diese Felder nehmen, bleibt aber graue Theorie. Um die Eigenschaften der magnetischen Feldlinien für Schüler erfahrbar zu machen, wurde jetzt in einem Kooperationsprojekt zwischen dem Fachbereich Informatik der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg unter Leitung von Professor André Hinkenjann und dem Mannheimer Unternehmen VRmagic ein Augmented-Reality Simulator entwickelt, mit dem Schüler die Magnetfelder in der Interaktion nicht nur spüren, sondern auch dreidimensional sehen können. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie hat die Entwicklung der Simulationstechnologie über einen Zeitraum von anderthalb Jahren mit rund 250.000 Euro gefördert. Der Simulator wird nun von Schülern des Mannheimer Karl-Friedrich-Gymnasiums im Rahmen ihres Physikunterrichts getestet.
Die Schüler tragen bei dem Experiment eine Datenbrille mit integrierten Video-Kameras und bewegen zwei Stabmagnete mit ihren Händen. In der Datenbrille sehen sie zusätzlich zu dem Live-Videobild der Magnete die simulierten Feldlinien der resultierenden Magnetfelder in 3D. Je nach Ausrichtung und Abstand der Magnete zueinander können die Schüler beobachten, wie die gefühlten Kräfte mit den Deformationen der Feldlinien korrespondieren.
"Das ist sehr anschaulich in 3D", finden Peter Hocher und Markus Theil aus der elften Klassenstufe. "Das Experiment hat auf jeden Fall Spaß gemacht!"
Im Physikunterricht werden regelmäßig Experimente gemacht, um physikalische Theorien zu veranschaulichen. Trotzdem fällt es Schülern oft schwer, den Zusammenhang zwischen der realen Welt und ihrer physikalischen Beschreibung zu verstehen.
"Der Einsatz von Augmented Reality hilft Schülern, die abstrakten Theorien mit der Realität in Verbindung zu bringen", ist Clemens Wagner überzeugt, der das Projekt bei VRmagic führend begleitet. "Im Gegensatz zu klassischen Visualisierungen mit kleinen Magnetnadeln oder Eisenfeilspänen, kann mit der Datenbrille das Magnetfeld und seine zeitliche Veränderung im dreidimensionalen Raum erfasst werden."
Im nächsten Schritt will VRmagic die Simulation auf Experimente mit anderen Magnetformen und elektrischen Leitern ausweiten. "Die entwickelte Technologie kann im Prinzip überall genutzt werden, wo physikalische Effekte wirken, die wir nicht sehen können", erläutert Wagner.
Der Simulator besteht aus der kopfgetragenen Datenbrille und einem PC. In der Datenbrille befinden sich zwei Kameras für die stereoskopische Aufnahme der Umgebung. Diese Videobilder werden auf kleine Displays vor den Augen des Anwenders projiziert, so dass das Experiment wie gewohnt beobachtet werden kann. Außerdem ist in die Datenbrille ein optisches Trackingsystem integriert, das die Position und Orientierung der Magnete im Raum genau verfolgt. Auf Basis dieser Positionsdaten wird die Simulation des Experiments berechnet und die generierte Computergrafik dem Videobild überlagert. Die Zeitverzögerung des Systems ist dabei so gering, dass es zu dem sogenannten Immersionseffekt kommt, bei dem Anwender den Unterschied zwischen realem Bild und überlagerter Simulation nicht mehr bemerken.
Die Schüler tragen bei dem Experiment eine Datenbrille mit integrierten Video-Kameras und bewegen zwei Stabmagnete mit ihren Händen. In der Datenbrille sehen sie zusätzlich zu dem Live-Videobild der Magnete die simulierten Feldlinien der resultierenden Magnetfelder in 3D. Je nach Ausrichtung und Abstand der Magnete zueinander können die Schüler beobachten, wie die gefühlten Kräfte mit den Deformationen der Feldlinien korrespondieren.
"Das ist sehr anschaulich in 3D", finden Peter Hocher und Markus Theil aus der elften Klassenstufe. "Das Experiment hat auf jeden Fall Spaß gemacht!"
Im Physikunterricht werden regelmäßig Experimente gemacht, um physikalische Theorien zu veranschaulichen. Trotzdem fällt es Schülern oft schwer, den Zusammenhang zwischen der realen Welt und ihrer physikalischen Beschreibung zu verstehen.
"Der Einsatz von Augmented Reality hilft Schülern, die abstrakten Theorien mit der Realität in Verbindung zu bringen", ist Clemens Wagner überzeugt, der das Projekt bei VRmagic führend begleitet. "Im Gegensatz zu klassischen Visualisierungen mit kleinen Magnetnadeln oder Eisenfeilspänen, kann mit der Datenbrille das Magnetfeld und seine zeitliche Veränderung im dreidimensionalen Raum erfasst werden."
Im nächsten Schritt will VRmagic die Simulation auf Experimente mit anderen Magnetformen und elektrischen Leitern ausweiten. "Die entwickelte Technologie kann im Prinzip überall genutzt werden, wo physikalische Effekte wirken, die wir nicht sehen können", erläutert Wagner.
Der Simulator besteht aus der kopfgetragenen Datenbrille und einem PC. In der Datenbrille befinden sich zwei Kameras für die stereoskopische Aufnahme der Umgebung. Diese Videobilder werden auf kleine Displays vor den Augen des Anwenders projiziert, so dass das Experiment wie gewohnt beobachtet werden kann. Außerdem ist in die Datenbrille ein optisches Trackingsystem integriert, das die Position und Orientierung der Magnete im Raum genau verfolgt. Auf Basis dieser Positionsdaten wird die Simulation des Experiments berechnet und die generierte Computergrafik dem Videobild überlagert. Die Zeitverzögerung des Systems ist dabei so gering, dass es zu dem sogenannten Immersionseffekt kommt, bei dem Anwender den Unterschied zwischen realem Bild und überlagerter Simulation nicht mehr bemerken.
