Mikrospkopieren mit dem Tablet oder Smartphone und dem Foldscope

Entwi­ckelt von Rebecca Tscheslog und Angela Dager

• Zielgruppe: Sekun­dar­stufe I
• Fächer: Biologie, integriertes Fach Naturwissenschaften
• Themen­ge­biete: Feldun­ter­su­chungen in der Natur z.B. die Teich­fauna, Funkti­ons­weise eines Mikroskops
• Ziel: Schüler:innen erhalten die Möglich­keit direkt vor Ort in der Natur mikro­sko­pi­sche Unter­su­chungen durch­zu­führen und jede:r kann ein eigenes Mikro­skop nutzen.

• Durch die geringen Kosten des Foldscopes (ca. 10€ pro Stück) ist eine günstige 1:1 Ausstat­tung der Schüler:innen möglich. Schüler:innen müssen nicht mehr auf ein freies Gerät warten und die Gefahr, dass sie Ergeb­nisse einfach vonein­ander übernehmen, sinkt [3]. Zudem ist eine Beschä­di­gung weniger problematisch.
• Das Foldscope ist kompakt, leicht, trans­por­tabel und benötigt keinen Strom, wodurch es örtlich unabhägig ist. Dies ermög­licht es Schüler:innen, z.B. mikro­sko­pi­sche Unter­su­chungen außer­halb des Klassen­zim­mers durch­zu­führen und die mikro­sko­pi­sche Welt im Erkun­dungs­kon­text zu entde­cken [2, 3]. Es können z.B. lebende Organismen wie Wasser­larven vor Ort betrachtet werden. Das Foldscope kann so selbst­ge­steu­ertes und aktives Lernen begüns­tigen sowie ein tieferes Verständnis der Biologie fördern [3].

• Es ist einfach zu bedienen und macht eine Benut­zung durch Lehrkräfte und Lernende möglich, die wenig Erfah­rung mit dem Mikro­ko­pieren haben.
• Beim Aufbau werden die feinmo­to­ri­schen Fähig­keiten der Schüler:innen geför­dert [2].
• Das Foldscope ist sehr flexibel. Durch einfachste Anpas­sungen können damit auch eine Polari­sa­ti­ons­mi­kro­skpie oder eine Fluores­zenz­mi­kro­skopie durch­ge­führt werden. Entspre­chende Anpas­sungen des Licht­mi­kro­skops sind im Vergleich dazu relativ aufwendig und erfor­dern von der bzw. dem Benutzer:in Kennt­nisse über den Aufbau eines Lichtmikroskops.
• Es bietet verschie­dene Betrach­tungs­mög­lich­keiten: direkt mit dem bloßen Auge, mit Hilfe eines Smart­phones oder Tablets und die Projek­tion auf eine weiße Wand. Bei den Varianten zwei und drei können Nutzer:innen das Präparat gemeinsam betrachten. Die Projek­tion ist ohne Beamer nur mit dem Foldscope und einer Taschen­lampe, passendem LED-Modul oder Smart­phone bzw. Tablet möglich.

In Verbin­dung mit einem Smart­phone oder Tablet

• Fotogra­fieren und Filmen von mikro­sko­pi­schen Präpa­raten ist in Echtzeit möglich [4] und sehr einfach durch den festen Sitz des Foldscopes am digitalen Endgerät. Das Präparat kann präziser dokumen­tiert werden, was die Überset­zungs­leis­tung, die die Lernenden aufbringen müssen, mildert [5].
• Die Aufnahmen des Präpa­rats können digital weiter­ver­ar­beitet, geteilt und wieder aufge­rufen werden.
• Die digitale Dokumen­ta­tion ist eine Diffe­ren­zie­rungs­mög­lich­keit beim mikro­sko­pi­schen Zeichen. Die Aufnahme kann eine Alter­na­tive darstellen für Schüler:innen, die noch Schwie­rig­keiten beim feinmo­to­ri­schen Zeichnen haben oder als Orien­tie­rungs­hilfe für eine konven­tio­nelle Zeich­nung dienen [6].

Alter­na­tiven für die digitale Mikroskopie

• Mikro­skope mit einge­bauter digitaler Kamera (sehr teuer und entspre­chend wenig vorhanden in Schulen [7])
• Tablet- bzw. Smart­phone-Kamera über das Okular eines herkömm­li­chen Licht­mi­kro­skops halten (Finger­spit­zen­ge­fühl erfor­der­lich! Eine Universal-Smart­phone-Halte­rung für das Mikro­skop kann genutzt werden [6].)

Ortsfle­xible Alternativen

• Tablet und digitales Handmi­kro­skop (vergleichs­weise teuer, ca. 300 Euro)
• Smart­phone mit Linsen­hal­te­rung und entspre­chender App, z.B. Nurugo (Auflö­sung sehr gering, Vergrö­ße­rung abhängig von Kamera, durch fehlende Beleuch­tung können einige Präpa­rate nicht mikro­sko­piert werden [8])

Das Foldscope hat eine Vergrö­ße­rung von 140x und eine Auflö­sung von 2 μm. In Verbin­dung mit einem digitalen Endgerät lässt sich mit der Zoom-Funktion eine Vergrö­ße­rung von bis zu 420x errei­chen [9] je nach Leistung der Kamera. Beispiele, was man alles mit dem Foldscope mikosko­pieren kann, sind auf der sozialen Online-Platt­form Micro­c­osmos zu finden. Dort kann man sich über Entde­ckungen mit dem Foldscope austauschen.

Ein Einsatz des Foldscopes scheint in zwei Unter­richts­sze­na­rien beson­ders sinnvoll:

• für mikro­sko­pi­sche Unter­su­chungen außer­halb des Klassen­raums und
• um die Arbeits­tech­niken der Mikro­skopie einzuführen.

Mithilfe des Foldscope können Schüler:innen den Lebens­raum von Pflanzen und Tiere erkunden, z.B. Larven oder Wasser­flöhe in einem Teich. Dies ist in Klasse 5/6 vorge­sehen [10]. So soll ein Inter­esse und an Freude an der Natur geför­dert werden.

Die richtige Handha­bung eines Licht­mi­kro­skop ist komplex und junge Schüler:innen u.U. noch nicht der Lage mit diesem fachgemäß umzugehen [1]. Das Foldscope eignet sich, um auch schon in Klasse 5 erfor­der­liche feinmo­to­ri­sche Fertig­keiten zu fördern und erste Einblicke in die mikro­sko­pi­sche Welt zu liefern.  Die Schüler:innen lernen mit Vergrö­ße­rungs­stufen, Fokus­sie­rung und Beleuch­tung umzugehen.

Es empfiehlt sich in jedem Fall zunächst in einer Doppel­stunde den Aufbau und die Bedie­nung des Foldscopes zu behan­deln (Anlei­tungen im Download­be­reich). Die Lernenden sollten zuerst die Kompo­nenten des Foldscopes benennen und ihre Funkti­ons­weise verstehen.

Für den Aufbau

• Das Foldscope muss nach Liefe­rung einmalig zusam­men­ge­baut werden, danach bleibt es einsatz­be­reit. Eine Alter­na­tive ist das Foldscope-Mini, das aufge­baut gelie­fert wird. Das kompak­tere Papier­mi­kro­skop hat die gleiche Auflö­sung und Vergrö­ße­rung, besitzt aber keinen Fokus­keil und kann nicht mit einem digitalen Gerät verbunden werden.
• Der Aufbau dauert 10 bis 15 Minuten, Lernende benötigen u.U. länger. Eine Anlei­tung wird mitge­lie­fert, da sich die Bauteile jedoch z.T. stark ähneln, gestaltet sich der Aufbau anhand eines Video-Tutorials einfa­cher. Der Link zum Video befindet sich im Download­be­reich.

Für das Präparieren

• Für das Foldscope gibt es kunst­off­be­schich­tete, wasser­feste Papier­ob­jekt­träger und dünne Aufkleber als Deckgläs­chen, aber auch normale Glasob­jekt­träger und Deckgläs­chen können verwendet werden.
• Bei Trocken­prä­pa­raten, wie Salzkris­tallen empfiehlt sich eine Nutzung der Deckglasauf­kleber, um Bewegungen der Probe beim Einlegen und Bewegen des Foldscopes zu verhindern.
• Da für ein Präparat ein oder zwei Deckglasauf­kleber gebraucht werden, sind die 18 mitge­lie­ferten Deckglasauf­kleber schnell aufge­braucht. Ein Vorrat sollte angelegt werden (150 Stück kosten 8€).
• Statt der Deckglasauf­kleber kann auch Klebe­band verwendet werden, das jedoch durch seine Beschaf­fen­heit die Bildqua­lität beeinträchtigt.
• Auch bei der Verwen­dung von Deckglasauf­kle­bern ist die Struktur dieser erkennbar. Das Bild ist bei der Nutzung von Glasob­jekt­trä­gern mit Deckglä­sern klarer.
• Deckgläs­chen müssen an den Seiten mit Klebe­band fixiert werden, um ein Verrut­schen beim Einlegen in das Foldscope zu vermeiden. Das Entfernen des Klebe­bandes muss vorsichtig erfolgen, da diese dabei leicht zerbrechen.
• Die Haftfä­hig­keit der Deckglasauf­kleber lässt bei Flüssig­keiten, wie organi­schen Lösungs­mit­teln nach. Wasser beein­träch­tigt diese nicht.
• Für Feucht­prä­pa­rate können am besten die Ringauf­kleber verwendet werden, da diese eine Vertie­fung bilden, was ein Auslaufen verhindert.
• Ringauf­kleber als Abstands­halter verwenden, wenn bspw. größere Organismen wie Wasser­flöhe mikro­sko­piert werden sollen, damit diese nicht zerdrückt werden.

Für das Mikroskopieren

• Werden die Papier­ob­jekt­träger verwendet, müssen noch zwei weitere Objekt­träger einge­legt werden, um die festge­legte Brenn­weite von ca. 0,5 mm einzuhalten.
• Beim Einlegen der Objekt­träger müssen die Pfeile beachtet werden. Hier unter­laufen häufig Fehler.
• Werden Glasob­jekt­träger genutzt, kann das Einlegen bei den ersten Malen etwas schwer­gängig sein.
• Die Probe am besten direkt schon beim Einlegen des Objekt­trä­gers über der Linsen­öff­nung positio­nieren, sodass weniger nachjus­tieren notwendig ist.
• Eine schär­fere Fokus­sie­rung der Probe kann auch durch Biegen des Foldscopes erreicht werden [11].
• Durch die hellere Beleuch­tung einer Smart­phone- oder Tablet-„Taschenlampe“ sind u.U. die Farben kontrast­rei­cher und das Präparat besser zu erkennen. 

Für die Nutzung mit Smart­phone oder Tablet

• Der Abstand zwischen Linse, Licht­quelle und bloßem Auge ist sehr gering und daher ermüdend [3]. Die Nutzung mit einem Smart­phone oder Tablet kann angenehmer sein. Zudem kann das Präparat mit der Zoom-Funktion der Kamera weiter vergrö­ßert werden.
• Hat das Smart­phone oder Tablet mehrere Kamera-Linsen, muss die „Haupt­linse“ identi­fi­ziert werden indem man den Finger dicht über die Linsen führt. An der Linse, wo der Finger das Bild verdeckt, wird das Foldscope mit einem Magneten angebracht.
• Ggf. muss vor dem Anbringen des Foldscopes die Hülle des digitalen Geräts entfernt werden, da sonst durch den Abstand zwischen Linse und Magneten kein klares Bild erscheint.
• Das Präparat kann mit der Kamera-App einfach fotogra­fiert oder gefilmt werden. Dabei sollten Foldscope und digitales Gerät ruhig gehalten werden.
• Die Qualität der Aufnahmen kann durch Anpas­sung der Hellig­keit und eine Bearbei­tung der Schärfe (im Nachheinein) verbes­sert werden.
• Zum Fokus­sieren ist es einfa­cher beide Hände zu benutzen. Wenn das Foldscope mit einem digitalen Gerät gekop­pelt ist, muss man dafür das Foldscope samt digitalem Gerät ablegen. Das digitale Gerät liegt dann nicht plan und instabil auf dem Unter­grund. Zudem wird Druck auf den Fokus­me­cha­nismus ausgeübt. Lösungen: Das Smart­phone oder Tablet mit Hilfe eines Stativs senkrecht aufstellen oder digitales Gerät auf ein dickes Buch legen, sodass das Foldscope über die Buchkante herausragt.
• Das Bild auf dem digitalen Gerät kann flackern, wenn das Foldscope mit einer Kamera­linse, die magne­ti­sche Kompo­nenten besitzt, verbunden wird [12]. Das Gerät kann heiß werden.
• Ein Koppeln mit Magneten ist nicht zwingend notwendig. Die Kamera­linse kann auch einfach an die Linse des Foldscopes gehalten werden. Fokus­sieren und Filmen ist dann jedoch erschwert.

Für das Projizieren

• Der Raum sollte möglichst dunkel sein. Für Foto- oder Video­auf­nahmen dann den Nacht­modus verwenden.
• Das Bild muss an eine weiße Wand proji­ziert werden.
• Entgegen dem sonstigen Gebrauch die Beleuch­tungs­quelle gegen die gelbe Seite des Foldscope halten (Anschauen und Koppeln mit Smart­phone an der blauen Seite).
• Je weiter die Entfer­nung des Foldscopes und Licht­quelle zur Wand ist, desto größer, aber auch unschärfer ist das Bild.
• Mit der stärkeren Smart­phone- oder Tablet-Lampe als Beleuch­tung, ist das proji­zierte Bild des Präpa­rats kontrast­rei­cher und schärfer als mit dem LED-Modul. Für eine klare Projek­tion mit dem Smart­phone bzw. Tablet kann man 20 bis 50 cm weit entfernt von der Wand stehen. Das Bild hat bei 20 cm einen Durch­messer von ca. 40 cm. Bei dem LED-Modul muss man deutlich dichter vor der Wand stehen, um ein klares Bild zu errei­chen (10–15 cm).
• Ist das Foldscope mit einem Smart­phone oder Tablet gekop­pelt, kann dieses auch mit einem Beamer (sofern vorhanden) verbunden werden, um das Präparat im Plenum betrachten zu können. Die Bildqua­lität ist dabei höher. Das gemein­same Betrachten im Plenum hilft insbe­son­dere unerfah­renen Schüler:innen beim Deuten des Gesehenen [1].

Für das Aufräumen

• Das Foldscope und die Papier­ob­jekt­träger können mit Wasser gerei­nigt werden.