Experimente mit Zeitlupenvideos verstehen

Entwi­ckelt von Rebecca Tscheslog und Diana Graf

• Zielgruppen: Sekun­dar­stufe I
• Fächer: Chemie
• Themen­ge­biet: Verbrennungen
  
• Ziel: Verständnis für Verbren­nungs­pro­zesse fördern

Ob ein Mehrwert in der Aufnahme eines Zeitlu­pen­vi­deos besteht, ist abhängig vom Experi­ment. Bei diesen schnell ablau­fenden Verbren­nungs­re­ak­tionen ist eine Zeitlu­pen­auf­nahme hilfreich:

Zu folgenden Experi­menten bieten wir im Download­be­reich Material an.

Experi­ment: Flammensprung

• Das „Wandern“ der Flamme entlang der Aerosol­fahne aus Wachs bzw. Crack­pro­dukten bis hin zum Docht, das wir sonst als Flammen­sprung wahrnehmen, wird visua­li­siert. Die Bedin­gungen einer Verbren­nung (Brenn­stoff, Luftsauer­stoff und Entzündungstemperatur) können in der Zeitlu­pen­auf­nahme identi­fi­ziert werden. Fachlich nicht angemes­senen Vorstel­lungen wird entge­gen­ge­wirkt [3].

Experi­ment: Staubexplosion

• Die Explo­sion wird Schritt für Schritt visua­li­siert. Man erkennt, dass die Stich­flamme ausge­hend von der Zündquelle aus entsteht. Man kann einzelne Funken identi­fi­zieren, Staub­par­tikel die verbrennen. Der rasante, zeitliche Verlauf der Reaktion lässt sich genauer einschätzen [5].

Experi­ment: Explo­die­render Wasserstoffballon

• Es wird visua­li­siert, dass die Flamme der Kerze ein Loch in die Hülle des Ballons schmilzt, dort das austre­tende Wasser­stoffgas entzündet und anschlie­ßend die ganze Ballon­hülle reißt. In der Zeitlu­pen­auf­nahme sieht man, dass sich  zunächst nur in den äußeren Berei­chen ein zündfä­higes Gemisch aus Sauer­stoff und Wasser­stoff bildet.  Ein „Ring“ aus Flammen entsteht ehe sich ein Feuer­ball überall im Bereich des ehema­ligen Ballons bildet [3]. Die Zeitlu­pen­auf­nahme ermög­licht eine tiefgrei­fende Diskus­sion über die Bedin­gungen einer Verbren­nungs­re­ak­tion und deren zeitli­chen Verlauf [5].

Vorher angefer­tigte Zeitlu­pen­auf­nahmen können als Ergän­zung zum (Demonstrations-)Experiment vorge­führt werden oder von Schüler:innen selbst mit dem (eigenen) Smart­phone oder Tablet bei der Durch­füh­rung eines Versuchs erstellt werden. In den Handrei­chungen im Download­be­reich werden unter­schied­liche Experi­mente für den Chemie­un­ter­richt beschrieben, bei denen ergän­zende Zeitlu­pen­auf­nahmen hilfreich sind:

• Flammen­sprung,
• Staub­ex­plo­sion,
• Explo­die­render Wasserstoffballon.

Die Handrei­chungen beinhalten einen didak­ti­schen Kommentar, der unter­and­erem aufzeigt, welche chemi­schen Fachin­halte anhand der Experi­mente erworben werden können. Sie enthalten zudem eine Erklä­rung des fachli­chen Hinter­grundes und eine Versuchs­an­lei­tung mit einer Liste benötigter Materia­lien und Chemi­ka­lien sowie der Durchführung.

• Zeitlu­pen­filme sollten Experi­mente nicht ersetzen nur ergänzen, da über die Durch­füh­rung und Beobach­tung des Realex­pe­ri­ments wichtige origi­näre, sinnliche Erfah­rungen gemacht sowie feinmo­to­ri­sche Fähig­keiten und Fachme­thoden geschult werden [3].

Bei der Vorbereitung

• Als Hilfe für die Erstel­lung der Zeitlu­pen­vi­deos durch die Schüler:innen können zu Beginn gemeinsam mediale Bewer­tungs­kri­te­rien bestimmt und dokumen­tiert werden wie die Hinter­grund­aus­wahl und Aufnah­me­per­spek­tive (vorge­fer­tigtes Bewer­tungs­raster im Download­be­reich) [2].
• Die Krite­rien können z.B. anhand eines fehler­haften Online- oder selbst­ge­drehten Videos und der Gestalt­ge­setze für Versuchs­ap­pa­ra­turen [7] oder Gesetze des Sehens [8] erarbeitet werden [2].

Beim Filmen

• Stativ einsetzen (oder statt­dessen eine durch­sich­tige Box, die über das Experi­ment gestellt wird), denn dies erhöht die Bildqua­lität [2] und entlastet die Lernenden bei der Kameraführung.
• Bei Spritz- oder Explo­si­ons­ge­fahr Plexi­glas zwischen Versuchs­ap­pa­ratur und Kamera anbringen [5].
• Einfar­bige Kartons oder Stoffe bereit­stellen, die als homogene Hinter­gründe hinter dem Experi­ment angebracht werden können. Bei Demons­tra­ti­ons­expe­ri­menten kann ein Karton z.B. mit Magneten an der Tafel befes­tigt werden. Verbren­nungen heben sich vor einem dunklen Hinter­grund deutli­cher ab. Zudem wirken Schatten auf dunklem Karton weniger auffällig.
• Für eine passende Beleuch­tung sorgen: 
  • Je höher die Bildfre­quenz desto mehr Schwie­rig­keiten treten bei der Beleuch­tung auf. Leucht­stoff­röhren und Energie­spar­lampen führen zu einem Flackern in den Aufnahmen [3, 4, 5].
  • Tages­licht nutzen, wenn der Raum ausrei­chend hell ist, da so kein Flackern auftreten kann. Die Hellig­keit und der Kontrast können im Nachhinein einfach verbes­sert werden (bei iOS direkt in der Foto-App).
  • Ist das Experi­ment mit Tages­licht nicht ausrei­chend ausge­leuchtet, Halogen­lampen oder LED-Lampen mit Gleit­trichter z.B. Baustrahler nutzen [3, 5]. Schatten können minimiert werden, indem Perga­ment­pa­pier über die Strahler gelegt wird [3, 5]. Vorher testen, denn auch bei Baustrah­lern kann u.U. ein leichtes Flackern auftreten.
  • Ein dunkler Hinter­grund lässt Flackern weniger störend wirken.
  • Reicht eine geringe Aufnah­me­rate von 30 oder 60 fps einer „normalen“ Video­auf­nahme aus, kann das Video im Nachhinein verlang­samt werden. Bei dieser Aufnah­me­rate tritt kein Flackern auf.
• Die Auflö­sung ist bei der „Slo-Mo“-Funktion von iOS ernied­rigt. Reicht eine gerin­gere Aufnah­me­rate für das Experi­ment aus, die Reaktion in Realge­schwin­dig­keit filmen und bei iMovie verlangsamen.

Beim Bearbeiten

• Um die Daten­menge und die Länge des Videos zu begrenzen, sollte nur der entschei­dende chemi­sche Prozess in Zeitlupe sein. Momente wie das Anzünden der Aerosol­fahne beim Experi­ment Flammen­sprung können in Origi­nal­ge­schwin­dig­keit abgespielt werden. Bei der „Slo-Mo“-Funktion von iOS lassen sich Zeitlu­pen­aus­schnitte nachträg­lich verschieben, verlän­gern, verkürzen oder entfernen (Schritt-für-Schritt-Anlei­tung der Kamera- und Foto-App im > Download­be­reich).
• In iMovie können Videos auf max. 1/8 verlang­samt werden. Speichert man die Aufnahme im mov-Format, öffnet und bearbeitet sie erneut, lässt sich das bereits verlang­samte Video wiederum auf max. 1/8 entschleu­nigen. So lassen sich die Aufnahmen beliebig verlang­samen (Schritt-für-Schritt-Anlei­tung für iMovie im > Download­be­reich).

Bei der Auswertung

• Durch Screen­shots aus dem Zeitlu­pen­video können die Schlüs­sel­mo­mente einer chemi­schen Reaktion heraus­ge­stellt werden [3]. Wird das Zeitlu­pen­video ergän­zend zu einem Demons­tra­ti­ons­expe­ri­ment gezeigt, ist es metho­disch sinnvoll, den Zeitlu­pen­film zweimal im Anschluss an das reale Experi­ment abzuspielen [9], einmal in Gesamt­heit mit der Aufgabe die Schlüs­sel­szenen zu identi­fi­zieren, ein zweites Mal, um Screen­shots der Stellen aufzu­nehmen. Die Schüler:innen geben dafür Anwei­sungen, bei welcher Szene das Video gestoppt werden soll.
• Die Video­auf­nahmen und Screen­shots können einfach in ein digitales Proto­koll [3] oder > Video­pro­to­koll integriert werden. Diese können durch Notizen zu weiteren Beobach­tungen ergänzt werden [5].
• Die Kompe­tenz Prozesse zu beschreiben kann durch Textpuzzle oder Concept-Maps in Verbin­dung mit Zeitlu­pen­vi­deos weiter geför­dert werden [10].