Der virtuelle Sandkasten

Ein wichtiger Teil heutiger Forschungsaktivitäten ist die Virtualisierung, d.h., die Nachbildung von Produktionsprozessen, Produkten, und Vorgängen in der Natur mit Hilfe von Computermodellen. Beispielsweise versuchen wir Produktionsprozesse von Medikamenten möglichst genau nachzubilden, um maximale Produktsicherheit bei minimalen Produktionskosten zu erreichen. Das Ergebnis derartiger Forschung sind Simulationsprogramme, die meist nur von Experten bedient werden können, und sich deshalb einer breiten Öffentlichkeit verschließen. Die Virtualisierung von Prozessen und Produkten ist jedoch von herausragender Wichtigkeit, und wird eine Säule in den industriellen Produktionsprozessen der Zukunft (Stichwort Industrie 4.0) darstellen. Das vorgeschlagene Projekt stellt der breiten Öffentlichkeit einen Sandkasten am Computer, und parallel dazu in der Realität zur Verfügung. Konkret sollen damit drei Zielgruppen angesprochen werden: (I) SchülerInnen in Volksschulen, (II) SchülerInnen der Oberstufe, sowie (III) interessierte Privatpersonen und Studierende. Für die Zielgruppe I soll im Rahmen des Unterrichtes mit Hilfe eines realen Sandkastens auf folgende Fragestellungen eingegangen werden: Welches Rezept braucht man um die perfekte Sandburg zu bauen?, Warum zerbricht die Sandburg wenn die Sonne scheint?, Was ist ein Feststoff, und was ist eine Flüssigkeit. Diese Fragen zielen auf das spielerische Kennenlernen von wissenschaftlichen Fragestellungen ab, und sollen Kinder primär neugierig machen, d.h., forschungsbasiertes Lernen induzieren. Für die Zielgruppe II wird der neu entwickelte virtuelle Sandkasten in Form einer Simulationsanwendung angeboten, die in einer Augmented Reality Umgebung eingebettet ist. Damit sollen Schüler in die Lage versetzt werden, ein reelles und ein virtuelles Experiment durchzuführen, und die Vorteile beider Experimente kennenzulernen. Zentraler Punkt ist die Antwort auf die Frage Wozu und wann braucht man eine Computersimulation?, und Wie führe ich selbst eine Simulation durch?. Weiters werden Übungen vorgeschlagen um folgende Fragen zu klären: Was sind wichtige Partikeleigenschaften, und wie kann man diese Messen?, und Wie dicht kann man Partikel packen, und warum ist das so wichtig?. Die Vermittlungsstrategie der Themen an die Zielgruppe I und II wird unter besonderer Berücksichtigung der nationalen Kompetenzmodelle für Schulen entwickelt. Für die Zielgruppe III wird die Simulationsanwendung (sowie die Einbettung in die Virtual Reality Umgebung) dauerhaft zur Verfügung gestellt, bzw. im Rahmen der Langen Nacht der Forschung direkt am Institut zugänglich gemacht. Zusätzlich soll auf Fragen wie Wieviel kostet eine Simulation?, Warum dauert die Entwicklung von Computerprogrammen so lange?, und Wo ist überall Simulation drinnen? im Rahmen von Projektbeispielen eingegangen werden.

Die Virtualisierung, d.h., die Nachbildung von Produktionsprozessen, Produkten, und Vorgängen in der Natur mit Hilfe von theoretischen Modellen ist ein zentraler Bestandteil heutiger Forschung. Das Ergebnis sind Computerprogramme zur Abbildung dieser Modelle, die meist nur von Experten bedient werden können, und daher einer breiteren Öffentlichkeit verschlossen bleiben. Das Ziel des gegenständlichen Projektes war die Aufbereitung von Forschungsergebnissen aus dem Themenbereich feuchter Sand. Die durchgeführten Projekttätigkeiten beinhalteten die Entwicklung von Soft- und Hardware zur Realisierung einer Virtual Sandbox: Hierbei wird das Höhenprofil einer Sandoberfläche vermessen, und die Höheninformation auf die Sandoberfläche zurückprojiziert. Weiters kann die Höheninformation in Simulationen verwendet werden: beispielsweise für die Vorhersage der Wasserverteilung in und auf dem Sand. Dieser Teil des Projektes zielte primär auf die Generierung von Neugier bei den Zielgruppen ab. Neben dem virtuellen Sandkasten wurden in Zusammenarbeit mit der Pädagogischen Hochschule Steiermark Unterrichtsmaterialien aus dem Bereich feuchter Sand generiert. Diese Materialien wurden zum Unterricht in Schulen (Volksschule, Neue Mittelschule, AHS und BMHS), sowie für Fortbildungsveranstaltungen eingesetzt. Speziell sind dies angewandte Beispiele welche im Unterricht der Fachbereiche (i) Physik, (ii) Mathematik, und (iii) Informatik zum forschenden Lernen eingesetzt werden können. Das Unterrichtsprinzip des forschenden Lernens zielt auf das selbstständige Begreifen ab, indem das Experiment und die Erkenntnis in den Vordergrund gestellt wird. Die Projektergebnisse zeigen, dass sich das Thema feuchter Sand auf alle Schulstufen projizieren lässt, und daraus spannende Experimente und theoretische Fragestellungen formuliert werden können. Als Herausforderung kristallisierte sich die anschauliche Verbindung zwischen Realexperiment und Simulation heraus.