Konstanz, Univ., Bachelorarb., 2004.

Im Beitrag wird zunächst die konventionelle auf Signalflüssen basierte Modellbildung mit modernen leistungsflussbasierten Methoden, die auf dem Prinzip von Aktion und Reaktion aufbauen, verglichen. BG (Bond Graph), POG (Power Oriented Graph) und EMR (Energetic Macroscopic representation) sind solche modernen Methoden die den Leistungsaustausch zwischen Teilsystemen als Grundlage für den Modellbildungsansatz nutzen. Diese Werkzeuge erhalten die physikalische Struktur, erlauben es in das dynamische System hineinzuschauen und unterstützen das Verständnis des Leistungsflusses. Unterschiede werden anhand verschiedener Eigenschaften in einer Tabelle angegeben. Nach Erläuterung der Grundlagen zu POG und BG erfolgt die Vorstellung einer Freeware Zusatzbibliothek zur Simulation von Bondgraphen. Spezielle Eigenschaften werden kurz umrissen. Diese Blockbibliothek läuft unter Simulink, besteht aus nur 9 mittels Menü konfigurierbaren Blöcken und realisiert bidirektionale Verbindungen. Die Beispiele Gleichstrommotor, Pulssteller und elastische Welle demonstrieren die Vorteile der leistungsflussorientierten Modellbildung. Zustandsregelung, Energieeffizienz und Simulink LTI Analysewerkzeuge führen in die Anwendung der vorgestellten Simulink Zusatzbibliothek für Bondgraphen ein. / The paper starts with a comparison of the conventional modelling method based on signal flow and modern power flow oriented modelling methods based on the principle of action and reaction. BG (Bond Graph), POG (Power Oriented Graph) and EMR (Energetic Macroscopic representation) are such modern methods based on the power exchange between partial systems as a key element for the basic modelling approach. These tools preserve the physical structure, enable a view inside dynamical systems and support understanding the power flow. Relationships between these graphical representations will be given. After the explanation of basics for POG and BG an overview and special features of a freeware add-on library for simulation of BGs will be outlined. The block library runs under Simulink, consists of nine menu-driven customised blocks only and realises bidirectional connections. Examples DC motor, chopper and elastic shaft demonstrate the advantages of power flow oriented modelling. State space control, energy efficiency and Simulink LTI analysis tools exemplify the application of the presented Simulink add-on BG library.

Im Physikunterricht wurde lange Zeit die Bedeutung quantitativer Zusammenhänge für das Physiklernen überbewertet, qualitative Zusammenhänge spielten dagegen eine eher untergeordnete Rolle. Dies führte dazu, dass das Wissen der Schüler zumeist ober­fläch­lich blieb und nicht auf neue Situationen angewendet werden konnte. TIMSS und Pisa offenbarten diese Schwierigkeiten. In den Abschlussberichten wurde kritisiert, dass die Schüler kaum in der Lage seien, Lernstoff zu transferieren oder pro­blem­lösend zu denken. Um physikalische Abläufe deuten und entsprechende Probleme lösen zu können, ist qua­litativ-konzeptuelles Wissen nötig. Dieses kann, wie Forschungs­ergebnisse belegen, am besten durch die konstruktivistisch motivierte Gestaltung von Lern­situationen sowie durch die Inte­gration externer Repräsentationen von Versuchs­aussagen in den Schul­unter­richt er­reicht werden. Eine konkrete Umsetzung dieser Bedingungen stellt der Ein­satz rechner­gestützter Experimente dar, der heutzutage ohne allzu großen technischen Aufwand rea­lisiert werden kann. Diese Experimente erleichtern es dem Lernenden, durch den direk­ten Umgang mit realen Abläufen, physikalische Konzepte zu erschließen und somit qua­litative Zusammenhänge zu verstehen. Während man lange Zeit von einer grundsätzlichen Lernwirksamkeit animierter Lern­um­gebungen ausging, zeigen dagegen neuere Untersuchungen eher Gegenteiliges auf. Schüler müssen offensichtlich erst lernen, wie mit multicodierten Re­prä­sentationen zu arbeiten ist. Die vorliegende Arbeit will einen Beitrag dazu leisten, he­raus­zufinden, wie lernwirksam sogenannte dynamisch-ikonische Repräsentationen (DIR) sind, die physikalische Größen vor dem Hintergrund konkreter Versuchsabläufe visuali­sieren. Dazu bearbeiteten im Rahmen einer DFG-Studie insgesamt 110 Schüler jeweils 16 Projekte, in denen mechanische Konzepte (Ort, Geschwindigkeit, Beschleu­nigung und Kraft) aufgegriffen wurden. Es zeigte sich, dass die Probanden mit den ein­ge­setzten DIR nicht erfolgreicher lernen konnten als ver­gleich­bare Schüler, die die gleichen Lerninhalte ohne die Unter­stützung der DIR erarbeiteten. Im Gegen­teil: Schüler mit einem geringen visuellen Vorstellungsvermögen schnitten aufgrund der Darbietung einer zusätzlichen Codierung schlechter ab als ihre Mit­schüler. Andererseits belegen Untersuchungen von Blaschke, dass solche Repräsen­ta­tionen in der Erarbeitungsphase einer neu entwickelten Unter­richts­kon­zep­tion auch und gerade von schwächeren Schülern konstruktiv zum Wissens­erwerb genutzt werden konnten. Es scheint also, dass die Lerner zunächst Hilfe beim Umgang mit neuartigen Re­prä­sen­ta­tions­formen benötigen, bevor sie diese für den weiteren Aufbau adäqua­ter physi­ka­lischer Modelle nutzen können. Eine experimentelle Unter­suchung mit Schü­lern der 10. Jahrgangsstufe bestätigte diese Vermutung. Hier lernten 24 Probanden in zwei Gruppen die mechanischen Konzepte zu Ort, Geschwin­dig­keit und Beschleunigung kennen, bevor sie im Unter­richt behandelt wurden. Während die Teil­nehmer der ersten Gruppe nur die Simulationen von Bewegungsabläufen und die zuge­hörigen Liniendiagramme sahen, wurden für die zweite Gruppe unterstützend DIR eingesetzt, die den Zusammenhang von Bewe­gungs­ablauf und Linien­diagramm veranschaulichen sollten. In beiden Gruppen war es den Probanden möglich, Fragen zu stellen und Hilfe von einem Tutor zu erhalten. Die Ergebnis­se zeigten auf, dass es den Schülern durch diese Maßnahme ermöglicht wurde, die DIR erfolgreich zum Wissens­er­werb einzusetzen und sig­nifikant besser abzuschneiden als die Teilnehmer in der Kon­troll­­gruppe. In einer weiteren Untersuchung wurde abschließend der Frage nachgegangen, ob DIR unter Anleitung eines Tutors eventuell bereits in der Unterstufe sinnvoll eingesetzt werden können. Ausgangspunkt dieser Überlegung war die Tatsache, dass mit der Einführung des neuen bayerischen G8-Lehrplans wesentliche Inhalte, die Bestand­teil der vorherigen Untersuchungen waren, aus dem Physik­unterricht der 11. Jgst. in die 7. Jahrgangsstufe verlegt wurden. So bot es sich an, mit den Inhalten auch die DIR in der Unterstufe ein­zusetzen. Die Un­tersuchungen einer quasiexperimentellen Feldstudie in zwei siebten Klassen belegten, dass die betrachte­ten Repräsentationen beim Aufbau entsprechender Kon­zepte keinesfalls hinderlich, sondern sogar förder­lich sein dürften. Denn die Schüler­gruppe, die mit Hilfe der DIR lernte, schnitt im direkten hypothesenprüfenden Vergleich mit der Kontrollklasse deutlich besser ab. Ein Kurztest, der die Nachhaltigkeit des Gelernten nach etwa einem Jahr überprüfen sollte, zeigte zudem auf, dass die Schüler der DIR-Gruppe die Konzepte, die unter Zuhilfenahme der DIR erarbeitet wurden, im Vergleich zu Schülern der Kontrollklasse und zu Schülern aus 11. Klassen insgesamt überraschend gut verstanden und behalten hatten. / For a long time the significance of quantitative interrelations for the acquisition of physics has been overestimated in physics education while qualitative interrelations have been considered of less importance. This has resulted in the students’ knowledge most often remaining superficial and not suited to be adapted to new situations. TIMSS and Pisa have revealed these difficulties, criticizing the conventional physics education for de­manding too little transfer achievements and not preparing students to solve physical problems on their own by thinking constructively. To be able to solve physical problems and interpret physical processes, qualitative-con­ceptual knowledge is vital. According to results of the latest research this can be achieved most efficiently by creating constructivist learning situations as well as inte­grating external representations of conclusions from experiments. A concrete way to reach these envisaged aims is the application of PC-assisted experiments, which can be put in practise without an exceeding technical effort. These experiments enable the stu­dents - by being directly confronted with a realistic process - to get insight into physical concepts and thus to understand qualitative interrelations. For a long time a basic learning efficiency of animated learning environments was as­sumed, more recent research, however, has rather pointed in the opposite direction. Ob­viously students must first learn how to work with multi-coded representations. This pa­per is intended to contribute to the exploration of the efficiency of the so-called dynamic-iconic representations (DIR), which visualize physical values against the background of concrete test procedures. For this purpose 110 students have covered 16 projects each within a DFG study, in which mechanical concepts (place, velocity, acceleration and force) are dealt with and developed further. As it turned out, students working with the dynamic-iconic represen­tations did not learn more efficiently than those working without the assistance of the dynamic-iconic representations. On the contrary: students with a less distinct visual-spa­tial ability did worse than their fellow-students, obviously due to the presentation of yet another encoding. On the other hand research by Blaschke has proven that such representations can be used constructively to gain knowledge especially by the inefficient students during the acquisition stages of a (newly-developed) teaching conception. Consequently, it seems that students must first receive some sort of assistance with handling novel forms of representation before being able to use them for getting to know about the further construction of physical models. An experimental study with partici­pants from tenth-grade high school classes has confirmed this assumption. Another study dealt with the question as to whether dynamic-iconic representations can already be applied expediently in the lower grade. It was performed because significant contents of the physics year 11 curriculum had been moved to year 7 with the introduc­tion of the new Bavarian G8 (eight-year high school) curriculum. Thus it seemed advis­able to apply the dynamic-iconic representations along with the contents in the lower grade. The research done in a quasi experimental field study has shown that the representations in question are by no means obstructive, but in parts conducive to the students’ ability to develop corresponding conceptions. This can be seen from the fact that the group of stu­dents learning with the assistance of dynamic-iconic representations did indeed con­siderably better than the ‘control group’. With its results this paper is supposed to contribute to a better understanding of the ap­plication of multimedia learning environments. The medium alone cannot induce mea­ningful learning processes – these processes must be well-structured and start as soon as possible, so that they can teach the students to deal with the different encodings sen­sibly. I am convinced that this is the only way the various possibilities our current IT age offers us with its multimedia worlds or multi-coded learning environments can be used efficiently.

Im Beitrag wird zunächst die konventionelle auf Signalflüssen basierte Modellbildung mit modernen leistungsflussbasierten Methoden, die auf dem Prinzip von Aktion und Reaktion aufbauen, verglichen. BG (Bond Graph), POG (Power Oriented Graph) und EMR (Energetic Macroscopic representation) sind solche modernen Methoden die den Leistungsaustausch zwischen Teilsystemen als Grundlage für den Modellbildungsansatz nutzen. Diese Werkzeuge erhalten die physikalische Struktur, erlauben es in das dynamische System hineinzuschauen und unterstützen das Verständnis des Leistungsflusses. Unterschiede werden anhand verschiedener Eigenschaften in einer Tabelle angegeben. Nach Erläuterung der Grundlagen zu POG und BG erfolgt die Vorstellung einer Freeware Zusatzbibliothek zur Simulation von Bondgraphen. Spezielle Eigenschaften werden kurz umrissen. Diese Blockbibliothek läuft unter Simulink, besteht aus nur 9 mittels Menü konfigurierbaren Blöcken und realisiert bidirektionale Verbindungen. Die Beispiele Gleichstrommotor, Pulssteller und elastische Welle demonstrieren die Vorteile der leistungsflussorientierten Modellbildung. Zustandsregelung, Energieeffizienz und Simulink LTI Analysewerkzeuge führen in die Anwendung der vorgestellten Simulink Zusatzbibliothek für Bondgraphen ein.:Modellbildung dynamischer Systeme mittels Leistungsfluß 1. Leistungsfluß versus Signalfluß 2. Konjugierte Leistungsvariablen und Kausalität 3. Grundlagen Leistungsfluß orientierter Modellierung 3.1 Definitionen zum POG (Power Oriented Graph) 3.2 Definitionen zu Grundelementen für Bondgraphen (BG) 4. Freeware Bibliothek zur Simulation von Bondgraphen 4.1 Übersicht und Nutzerfreundlichkeit 4.2 Besonderheiten 5. Beispiele 5.1 Gleichstrommotor mit starrer Welle 5.2 Elastische Welle 5.3 Eingangsfilter und Pulssteller 5.4 Vereinfachter Antriebsstrang 6. Anwendung der Simulink Bondgraph Blockbibliothek 6.1 Beispiel elastische Welle 6.2 Zustandsregelung 6.3 Energieeffizienz 6.4 Simulink Analysewerkzeuge 7. Vorteile im Überblick / The paper starts with a comparison of the conventional modelling method based on signal flow and modern power flow oriented modelling methods based on the principle of action and reaction. BG (Bond Graph), POG (Power Oriented Graph) and EMR (Energetic Macroscopic representation) are such modern methods based on the power exchange between partial systems as a key element for the basic modelling approach. These tools preserve the physical structure, enable a view inside dynamical systems and support understanding the power flow. Relationships between these graphical representations will be given. After the explanation of basics for POG and BG an overview and special features of a freeware add-on library for simulation of BGs will be outlined. The block library runs under Simulink, consists of nine menu-driven customised blocks only and realises bidirectional connections. Examples DC motor, chopper and elastic shaft demonstrate the advantages of power flow oriented modelling. State space control, energy efficiency and Simulink LTI analysis tools exemplify the application of the presented Simulink add-on BG library.:Modellbildung dynamischer Systeme mittels Leistungsfluß 1. Leistungsfluß versus Signalfluß 2. Konjugierte Leistungsvariablen und Kausalität 3. Grundlagen Leistungsfluß orientierter Modellierung 3.1 Definitionen zum POG (Power Oriented Graph) 3.2 Definitionen zu Grundelementen für Bondgraphen (BG) 4. Freeware Bibliothek zur Simulation von Bondgraphen 4.1 Übersicht und Nutzerfreundlichkeit 4.2 Besonderheiten 5. Beispiele 5.1 Gleichstrommotor mit starrer Welle 5.2 Elastische Welle 5.3 Eingangsfilter und Pulssteller 5.4 Vereinfachter Antriebsstrang 6. Anwendung der Simulink Bondgraph Blockbibliothek 6.1 Beispiel elastische Welle 6.2 Zustandsregelung 6.3 Energieeffizienz 6.4 Simulink Analysewerkzeuge 7. Vorteile im Überblick