Unterrichtskonzepte / Digitale Messwerterfassung

Experimente mit Zeitlupenvideos verstehen

Viele chemi­sche Reaktionen wie Verbren­nungen laufen schnell ab. Man verpasst leicht den Schlüs­sel­mo­ment der Reaktion oder dieser ist für das mensch­liche Auge erst gar nicht wahrnehmbar. Die Schüler:innen können dann den Prozess nicht nachvoll­ziehen [1]. Durch ein simples Zeitlu­pen­video der Reaktion, aufge­nommen mit einem Tablet oder Smart­phone, können chemi­sche Phäno­mene für Lernende sichtbar und so zugäng­li­cher gemacht werden [2]. Im Folgenden werden der Mehrwert der Zeitlu­pen­auf­nahmen, die techni­schen Vorrau­set­zungen für den Einsatz im Unter­richt, Tipps und Hinweise für die Umset­zung erläu­tert sowie einige konkrete Experi­mente aus dem Themen­be­reich Verbren­nung vorge­stellt, bei denen der Einsatz von Zeitlu­pen­vi­deos hilfreich ist. Weitere Experi­mente für die Biologie, Physik und Chemie finden sich in der weiter­füh­renden Literatur.

Entwi­ckelt von Rebecca Tscheslog und Diana Graf

⬤ Unsere Einsatzideen für Zeitlupenvideos kurz vorgestellt

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

⬤ Mehrwert einer Zeitlupenaufnahme

  • Schüler:innen haben Probleme den Prozess­cha­rakter und die Dynamik chemi­scher Reaktionen zu erfassen, denn im Chemie­un­ter­richt liegt der Fokus häufig auf dem Ausgangs- und Endzu­stand. Der Prozess wird nur durch den Pfeil einer Reakti­ons­glei­chung symbo­li­siert. Die Zeitlu­pen­auf­nahmen richten das Augen­merk auf den Ablauf der chemi­schen Reaktion und fördern so prozess­ori­en­tiertes Denken, das für das Verständnis komplexer Themen der Chemie wichtig ist [1].
  • In Realge­schwin­dig­keit nicht wahrnehm­bare Aspekte und mehr Details der chemi­schen Reaktion können durch ein Zeitlu­pen­video beobachtet werden. Chemi­sche Phäno­mene werden dadurch greif­barer und besser verstanden [3].
  • Die Beobach­tungs­gabe der Lernenden wird geschult [4].
  • Experi­mente können aus sicher­heits­tech­ni­schen, ökono­mi­schen, ökolo­gi­schen oder schlicht zeitli­chen Gründen im Unter­richt nicht beliebig oft durch­ge­führt werden. Ein Video kann ohne großen Aufwand erneut betrachtet werden. Es kann in folgenden Unter­richts­stunden als Erinne­rungs­hilfe und Aktivie­rung der Schüler:innen dienen [5] oder auch, um die Beobach­tungen in der Folge­stunde für die Auswer­tung des Versuchs heran­zu­ziehen [3].

Abbil­dung 1: Screen­shots von den Schlüs­sel­szenen des Experi­ments “Flammen­sprung” aus Zeitlupenaufnahme. 

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 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].

    ⬤ Technische Voraussetzungen

    • Für Schüler:innenexperimente wird ein Smart­phone oder Tablet pro Gruppe benötigt.
    • Für Demons­tra­ti­ons­expe­ri­mente wird ein Smart­phone oder Tablet benötigt.
    • iOS: Zum Aufnehmen der Videos kann die „Slo-Mo“-Funktion der vorin­stal­lierten Kamera-App genutzt werden (meist 120 oder 240 fps, Geschwin­dig­keit 25%). Ein in Realge­schwin­dig­keit aufge­nom­menes Video (meist 30 oder 60 fps) kann auch im Nachhinein mit der vorin­stal­lierten App iMovie verlang­samt werden.
    • Android: Zum Aufnehmen der Videos eignet sich z.B. die kosten­freie App Slow-Motion-Videoeffekte.

    Je nach Experi­ment muss das Smart­phone oder Tablet fähig sein Video­auf­nahmen mit einer bestimmten Aufnah­me­rate zu machen.

    Tabelle 2: Höchst­mög­liche Aufnah­me­raten verschie­dener Smart­phone-Modelle. Im Jahr 2020 besaßen die meisten Schüler:innen Modelle von Samsung, Apple oder Huawei [6].

    Benötigte Aufna­hemer­aten für verschie­dene Experimente

    Hinweise zur Aufnahmerate

    Flammen­sprung:

    • Bei einer Verlang­sa­mung eines Videos mit 30 fps um 1/8 sieht man wie die Aufnahme zum nächsten Frame springt. Dennoch kann man verfolgen wie die Flamme an der Aerosol­fahne entlang „wandert“. Für eine lücken­lose Aufnahme kann auch mit 120/240 fps gefilmt werden. Aller­dings ist hier bei künst­li­cher Beleuch­tung schnell ein Flackern in der Aufnahme.

    Explo­die­render Wasserstoffballon:

     

    • Bereits bei 240 fps und einer zusätz­li­chen Verlang­sa­mung der Zeitlu­pen­auf­nahme auf 1/8 mit z.B. iMovie sieht man wie ein Loch im Ballon entsteht und sich dort eine Flammen­zunge bildet, was man in Realge­schwin­dig­keit verpasst. Für die Beobach­tung, dass sich zunächst dort ein Ring aus Flammen bildet, wo genügend Sauer­stoff für die Reaktion zur Verfü­gung steht, bevor überall Flammen entstehen, ist die höhere Aufnah­me­rate von 480 fps notwendig.

    ⬤ Ideen für die Umsetzung im Unterricht

    Vorher angefer­tigte Zeitlu­pen­auf­nahmen können als Ergän­zung zum (Demonstrations-)Experiment vorge­führt werden oder von Schüler:innen selnbst 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 und der Durchführung.

    Abbil­dung 2: Screen­shot aus der Zeitlu­pen­auf­nahme einer Staubexplosion.

    Abbil­dung 3: Screen­shot aus der Zeitlu­pen­auf­nahme eines explo­die­renden Wasserstoffballons.

    ⬤ Tipps und Hinweise für die Umsetzung im Unterricht

    • 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 z.B. 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 Stoff 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 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.

       

      Abbil­dung 4: Ein homogener Hinter­grund lenkt die Schüler:innen nicht von dem zu beobach­tenden Phänomen ab.

       

      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 Anwei­sung, 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].

       

      Downloads und Links

      • Arbeitsmaterial

      Bewer­tungs­raster für Zeitlupenvideos

      • Arbeitsmaterial

      Schritt-für-Schritt-Anlei­tung für die Kamera- und Foto-App (iOS)

      • ARBEITSMATERIAL

      Schritt-für-Schritt-Anlei­tung für iMovie

      • Informationsmaterial

      Handrei­chung zum Experi­ment „Flammen­sprung“

      • Informationsmaterial

      Handrei­chung zum Experi­ment „Staub­ex­plo­sion“

      • Informationsmaterial

      Handrei­chung zum Experi­ment „Explo­die­render Wasserstoffballon“

      Literatur

      • [1] Sieve, B., Graulich, N., Caspari, I. & Bittorf, R. (2017). Chemi­sche Vorgänge als Prozesse erfassen. Natur­wis­sen­schaften im Unter­richt Chemie, 28 (160), 2–7.
      • [2] Sieve, B. & Koch, B. (2020). Experi­men­tieren via Smart­phone. Gummi­bär­chen­hölle und Papier­chro­ma­to­gra­phie in Zeitlupe und Zeitraffer. Natur­wis­sen­schaften im Unter­richt Chemie, 31 (177/178), 16–19.
      • [3] Sieve, B. (2016). Mit Zeitlu­pen­auf­nahmen chemi­schen Phäno­menen auf die Spur kommen. research­gate. https://www.researchgate.net/publication/312500759_Mit_Zeitlupenaufnahmen_chemischen_Phanomenen_auf_die_Spur_kommen
      • [4] Hilfert-Rüppell, D. & Sieve, B. (2017). Entschleu­nigen biolo­gi­scher und chemi­scher Abläufe durch Zeitlu­pen­auf­nahmen. In Lernpro­zesse mit digitalen Werkzeugen unter­stützen. Joachim Herz Stiftung Verlag. https://www.joachim-herz-stiftung.de/fileadmin/user_upload/04_Lernprozesse_mit_dig_Werkz_unterst.pdf
      • [5] Sieve, B., Struck­meier, S., Taubert, C. & Netro­benko, C. (2015). Unsicht­bares sichtbar machen. Chemi­sche Phäno­mene anhand von Zeitlu­pen­auf­nahmen verstehen. Natur­wis­sen­schaften im Unter­richt Chemie, 26 (145). 23–27.
      • [6] Tenzer, F. (2024). Smart­phones — Meist­ge­nutzte Marke bei Kindern 2020. Statista. Abgerufen am 15. Februar 2024, von https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1012550/umfrage/beliebteste-smartphone-marken-bei-kindern-in-deutschland/
      • [7] Schmid­kunz, H. (1983). Die Gestal­tung chemi­scher Demons­tra­ti­ons­expe­ri­mente nach wahrneh­mungs­psy­cho­lo­gi­schen Erkennt­nissen. Natur­wis­sen­schaften im Unter­richt. Physik, Chemie, 31 (10), 360–367.
      • [8] Metzger, W. (1937). Gesetze des Sehens. American Journal of Psycho­logy, 49 (3), 498. https://doi.org/10.2307/1415800
      • [9] Sieve, B. (2020). Tracking down chemical pheno­mena with the usage of mobile phone slow-motion videos. Chemistry teacher inter­na­tional, 3 (3), 221–227. https://doi.org/10.1515/cti-2019–0018
      • [10] Caspari, I., Graulich, N., Lieber, L. & Rummel, L. (2017). „Die Flamme geht da runter“. Prozess­be­schrei­bung von Lernenden analy­sieren. Natur­wis­sen­schaften im Unter­richt Chemie, 28 (160), 19–23.

        Literatur zu weiteren Einsatz­mög­lich­keiten in der Chemie

        • Sieve, B. (2016). Aha-Effekte erzielen — durch den Einsatz von Bildern und Videos. Natur­wis­sen­schaften im Unter­richt Chemie, 27 (153), 46.

        Literatur zu weiteren Einsatz­mög­lich­keiten in der Physik

        • Michel, M. & Wilhelm, T. (2010). Dynamik mit Hochge­schwin­dig­keits­vi­deos. Praxis der Natur­wis­sen­schaften — Physik in der Schule, 59 (7), 23–30.

        Literatur zu Einsatz­mög­lich­keiten in der Biologie

         

        • Hilfert-Rüppell, D. (2011). Unsicht­bares sichtbar machen durch Zeitlu­pen­film – Herstel­lung und Analyse als neue Aufgabe in der Schule. Praxis der Natur­wis­sen­schaften, Biologie in der Schule, 60 (2), 37 – 42.
        • Hilfert-Rüppell, D. (2013). Zeitlu­pen­filme. Bioskop SI – Arbeits­hefte. Wester­mann Schul­buch Verlag.