Für den naturwissenschaftlichen Unterricht bieten mobile Endgeräte, Computer und digitale Vi­deotechnik eine echte Alternative zu den klassischen Verfahren der Erfassung und Analyse von Bewegungsdaten. Seit einigen Jahren hat sich daher die (digitale) Videoanalyse im Unterricht etabliert. Ein realer Bewegungsvorgang wird dabei per Digital-, Handy oder Tablet-Kamera aufgezeichnet. Der digitale Videoclip der Bewegung besteht aus einer Reihe von Einzelbildern, über die sich die Bewegung eines Objektes verfolgen lässt – manuell ‚per Hand’ (mit Maus, Finger, Eingabestift) oder auch automatisiert.In den letzten Jahrzehnten wurden dazu zahlreiche Videoanalysesysteme vorgestellt. Neben den kommerziellen Lösungen existieren auch Freewarelösungen wie z. B. Viana (für Windows Viana 3, Viana.NET).Viana wurde nun auch als sog. App für den Einsatz auf mobilen Endgeräten (iPads) entwickelt und bietet neben der manuellen Erfassung und automatischen Analyse per Farberkennung jetzt auch die Möglichkeit einer automatischen Objekterkennung bzw. -verfolgun

Nordmeier, Volkhard

Schummel, Nicolai

Schwarzhans, Dirk

PhyDid - Physik und Didaktik in Schule und Hochschule (E-Journal, FU Berlin)

Didaktik der Physik   Frühjahrstagung – Hannover 2016 1 Viana – eine App zur Videoanalyse im Physikunterricht  Volkhard Nordmeier, Nicolai Schummel, Dirk Schwarzhans Freie Universität Berlin, Fachbereich Physik, Arnimallee 14, 14195-Berlin volkhard.nordmeier@fu-berlin.de, nicolai@schummel.de, dirk.schwarzhans@physik.fu-berlin.de  Kurzfassung Für den naturwissenschaftlichen Unterricht bieten mobile Endgeräte, Computer und digitale Vi-deotechnik eine echte Alternative zu den klassischen Verfahren der Erfassung und Analyse von Bewegungsdaten. Seit einigen Jahren hat sich daher die (digitale) Videoanalyse im Unterricht etabliert. Ein realer Bewegungsvorgang wird dabei per Digital-, Handy oder Tablet-Kamera aufge-zeichnet. Der digitale Videoclip der Bewegung besteht aus einer Reihe von Einzelbildern, über die sich die Bewegung eines Objektes verfolgen lässt – manuell ‚per Hand’ (mit Maus, Finger, Einga-bestift) oder auch automatisiert.  In den letzten Jahrzehnten wurden dazu zahlreiche Videoanalysesysteme vorgestellt. Neben den kommerziellen Lösungen existieren auch Freewarelösungen wie z. B. Viana (für Windows Viana 3, Viana.NET).  Viana wurde nun auch als sog. App für den Einsatz auf mobilen Endgeräten (iPads) entwickelt und bietet neben der manuellen Erfassung und automatischen Analyse per Farberkennung jetzt auch die Möglichkeit einer automatischen Objekterkennung bzw. -verfolgung.   1.  Ausgangslage Die Frage nach dem didaktischen ‚Mehrwert’ digita-ler Medien für das Lehren und Lernen in den Natur-wissenschaften ist seit geraumer Zeit einer der Schwerpunkte fachdidaktischer Forschung [1]. Die Ziele eines didaktisch sinnvollen Medieneinsatzes, der die Gestaltung von Lernumgebungen in lebens-weltbezogenen Kontexten in den Mittelpunkt rückt, sind vielfältig: Die Schülerinnen und Schüler sollen die Welt mit Hilfe digitaler Medien erkunden und verstehen, sie lernen neuartige experimentelle Zu-gänge zu naturwissenschaftlich-technischen Phäno-menen kennen, die zum Teil weit über die Grenzen des klassischen Unterrichts hinausgehen und erleben eine neue Qualität von Anschauung (vgl. z. B. [2|-[3]).  Naturwissenschaftlicher Unterricht sollte Situationen und reale Probleme aus der Lebenswelt aufgreifen und reichhaltige Lernumgebungen bieten, in denen Schülerinnen und Schüler Wissen möglichst aktiv und konstruktiv erwerben können. Im naturwissen-schaftlichen Unterricht nehmen Experimente hierbei eine Schlüsselrolle ein [4]. Der Umgang mit digitalen Medien im naturwissen-schaftlichen Unterricht selbst hat einen besonderen Stellenwert: Die Aufzeichnung, Bearbeitung und Analyse von digitalen Ton- und Bilddaten etwa erweitert den didaktisch-methodischen Spielraum des Experimentierens erheblich. Sonst nur im Fach-raum durchführbare Experimente zur Analyse von Bewegungsvorgängen lassen sich nun in Alltagssitu-ationen untersuchen.  2.  Digitale Videoanalyse Für den naturwissenschaftlichen Unterricht bietet die digitale Videoanalyse eine echte Alternative zu den klassischen Verfahren der sensorgestützten Erfas-sung und Analyse von Bewegungsdaten. Seit etwa 20 Jahren hat sich dazu die computergestützte Vi-deoanalyse etabliert (vgl. z. B. [5]-[8]): Ein realer Bewegungsvorgang wird per Videokamera aufge-zeichnet. Der digitale Videoclip der Bewegung be-steht aus einer Reihe von Einzelbildern (Frames), über die sich die Bewegung eines Objektes Bild für Bild verfolgen lässt.  In der (historisch) einfachsten Variante wird auf einem Bildschirm eine Transparentfolie befestigt, dann wird das Video Bild für Bild dargestellt und die jeweilige Position eines Objektes per Folien-schreiber markiert. Das geht auch ganz ohne Com-puter direkt an einem Bildschirm. So lassen sich manuell Weg-Zeit-Diagramme erstellen und Mess-wertepaare zur Weiterverarbeitung erfassen. In der computergestützten Variante dient die Maus, ein Eingabestift und am Handy oder Tablet auch der Finger als eigentliches Messwerterfassungssystem: Ein Frame wird angezeigt, dann auf die Position eines markanten Punktes oder Gebiets des ‚verfolg-ten’ Objektes geklickt und dieser Vorgang sukzessi-ve für alle Frames durchgeführt. Als Resultat ergibt sich eine Reihe von Koordinatenpaaren, die die Bewegung des betrachteten Objektes in einem zwei-dimensionalen Ortsraum beschreiben (vgl. Abb. 1). Bei konstanter Bildfrequenz (fps: frames per second) eines Videos kann nun jedem Frame eine Zeitkoor-dinate zugeordnet werden. Damit lassen sich die Messwerte quantitativ weiterverarbeiten, d. h. aus Nordmeier et al. 2 Ortsraumkoordinaten können z. B. Geschwindigkei-ten oder Beschleunigungen errechnet werden. Die Messwertaufnahme per digitaler Videoanalyse kann aber auch automatisch passieren, z. B. per Farb- oder Objekterkennung.   Abb. 1: Analyse der Bewegung eines hüpfenden Flummis mit der Windows-Analysesoftware „Viana 3“ (s. [9]-[10]). Die stroboskopische Darstellung (oben) als Summe aller ermittelten Objektpositionen im Ortsraum entspricht der Darstellung im x-y-Diagramm (unten) bei der Auswertung der Daten. Die digitale Videoanalyse bietet Möglichkeiten für Lernaktivitäten auf allen Ebenen: Die Schülerinnen und Schüler können Beispiele von dynamischen Vorgängen aus ihrer Alltagswelt oder aus Experi-menten selbst wählen, filmen und auswerten. Im Physikunterricht – oder auch im ‚Hausexperiment’ – können so reale Phänomene anhand digitaler Vi-deosequenzen unter physikalischer Perspektive in-terpretiert werden. Beispielsweise lassen sich Bewe-gungsabläufe aus dem Bereich des Sports, des Stra-ßenverkehrs, der Raum- und Luftfahrt usw. betrach-ten, deren Realisation im reinen Laborexperiment oftmals als lebensfern und uninteressant empfunden wird (z. B. [2]-[3], [5]-[8]).  Neben diesen fächerübergreifenden oder -integrie-renden Aspekten kann die Videoanalyse zudem zur Erweiterung der Medienkompetenz beitragen: Ne-ben dem Erlernen oder Einüben des Umgangs mit digitalen Medien können Computervideos erstellt und aufbereitet oder physikalische Experimente dokumentiert und ausgewertet werden.  In den letzten 20 Jahren wurden zahlreiche soft-warebasierte Videoanalysesysteme vorgestellt [7]. Neben den kommerziellen Programmen existieren seit vielen Jahren auch Freewarelösungen wie z. B. Viana ([9]-[10]). Während bei den ersten Program-men die Position der bewegten Objekte für jedes Bild nur ‚per Hand‘ ermittelt werden konnte, wurde ab Mitte in der 1990iger Jahre zunehmend auch die Möglichkeit einer automatischen Positionserken-nung implementiert.  Die Auswahl an Sequenzen aus dem Internet, aber auch aus Lehr-, Video- oder Fernsehfilmen, die hinsichtlich ihres physikalischen Gehaltes analysiert werden können, ist sehr groß: Filme der NASA  (z. B. Raketenstarts, ‚Moonjump’), Sportsendungen (z. B. Fußball, Basketball, Bungee-Jumping), Sze-nen aus dem Straßenverkehr oder aus Crash-Tests. Die dabei auftretenden physikalischen Fragestellun-gen sind äußerst vielschichtig.  Dank moderner Technik lassen sich von die Schüle-rinnen und Schülern heute per Smartphone oder Tablet problemlos und in kurzer Zeit auch eigene Videos aufnehmen und verarbeiten. 3.  Viana als App Aufgrund der rasanten Entwicklung der Computer-technik lassen sich viele Anwendungen heute mit mobilen Endgeräten (wie Smartphone oder Tablet) nutzen – so auch die digitale Videoanalyse. Insbe-sondere können nun die Aufnahme, die Verarbeitung und die Analyse der Videos mit einem Gerät durch-geführt werden. Viana wurde daher nun als sog. App für den Einsatz auf mobilen Endgeräten (derzeit nur iPads; s. Abb. 2) entwickelt und bietet neben der manuellen Erfas-sung und automatischen Analyse per Farberkennung nun auch die Möglichkeit einer automatischen Ob-jekterkennung bzw. -verfolgung.  Features von Viana als mobile Anwendung (App) sind: • manuelle & automatische Objekterfassung in Videos • automatische Erstellung von Graphen zur Aus-wertung • Export in CSV-Datei, die bspw. mit Excel    weiterverarbeitet werden kann • anpassbare Lage des Koordinatensystems und des Maßstabes • direkte Aufnahme von Videos mit der integrier-ten Kamera des iPads (bis zu 120fps) • Bibliothek mit Beispielvideos physikalischer Vorgänge • Analyse aller auf dem iPad abspielbarer Videos • Anbindung an andere Software speziell für den Schuleinsatz wie z. B. GeoGebra Viana – eine App zur Videoanalyse im Physikunterricht 3  Abb. 2: iTunes Screenshot „Viana – Videoanalyse“.    Abb. 3: Screenshots einer Videoanalyse der Bewegung eines  Pendels mit Hilfe der App Viana. 4. Download der App „Viana – Videoanalyse“ Die App „Viana – Videoanalyse“ wird stetig weiter-entwickelt und kann frei vom App Store (iOS) gela-den werden: https://itunes.apple.com/de/app/viana-videoanalyse/id1031084428?mt=8  5.  Literatur [1] Herzig, B. (2014): Wie wirksam sind digitale Medien im Unterricht?: Bertelsmann Stiftung: Gütersloh. Url: http://www.bertelsmann-stiftung.de/fileadmin/files/BSt/Publikationen/ GrauePublikationen/Studie_IB_Wirksamkeit_ digitale_Medien_im_Unterricht_2014.pdf (12/2016) [2] Kuhn, J. (2015): Materialien & Methoden: Experimentieren mit Smartphones und Tablets. (Themenheft) Naturwissenschaften im Unter-richt (NiU), 26/145. [3] Wilhelm, T. & Bresges, A. (2014): Tablets im Physikunterricht. (Themenheft) Praxis der Na-turwissenschaften Physik (PdN), 5/63. [4] Neuhaus, W.; Kirstein, J. & Nordmeier, V. (2013): Technology Enhanced Textbook Pro-voking active ways of Learning. In: I. Buchem et al. (Eds.): Learning and Diversity in the Cit-ies oft he Future. The PLE Conference 2013. Proceedings: Berlin, Melbourne. S. 323-335. [5] Dziarstek, C. & Hilscher, H. (1998): Bewe-gungsabläufe auf Video festgehalten und per Computer analysiert. In: Physik in der Schule, 1/36, 25-30. [6] Nordmeier, V. (2002): Videoanalyse von Be-wegungen mit dem Computer. In: Unterricht Physik, 13/69, 27-30. [7] Wilhelm, T. (2009): Möglichkeiten der Video-analyse. Habilitationsschrift, Universität Würz-burg (unveröffentlicht). [8] Klein, P., Gröber, S., Kuhn, J. Fouckhardt, H., von Freymann, G., Oesterschulze, E., Widera, A. Fleischhauer, A. & Müller, A. (2015). phy-sics.move - Videoanalyse-Aufgaben in der Ex-perimentalphysik 1. In: Physik und Didaktik in Schule und Hochschule (PhyDid A) 14 (1).  Url: http://www.phydid.de/index.php/phydid/article/view/571 (12/2016) [9] Viana 3 (2004): Url: http://www.didaktik.physik.uni-due.de/viana/  (12/2016) [10] Viana.NET (2015). Url: http://www.viananet.de  (12/2016)    

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und digitale Vi­deotechnik eine echte Alternative zu den klassischen Verfahren
der Erfassung und Analyse von Bewegungsdaten. Seit einigen Jahren hat sich
daher die (digitale) Videoanalyse im Unterricht etabliert. Ein realer
Bewegungsvorgang wird dabei per Digital-, Handy oder Tablet-Kamera
aufgezeichnet. Der digitale Videoclip der Bewegung besteht aus einer Reihe von
Einzelbildern, über die sich die Bewegung eines Objektes verfolgen lässt –
manuell ‚per Hand’ (mit Maus, Finger, Eingabestift) oder auch automatisiert.
In den letzten Jahrzehnten wurden dazu zahlreiche Videoanalysesysteme
vorgestellt. Neben den kommerziellen Lösungen existieren auch Freewarelösungen
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