Visualisierung Warum wir sie brauchen und wie man sie richtig betreibt

VisualisierungWarum wir sie brauchen und wie

man sie richtig betreibt

Einstieg

AkadDir W. Wagner. Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth

Beschreiben Sie, was Sie auf den nächsten Folien sehen! Versuchen Sie, Zahlen zu

nennen!











Visualisierung im Unterrichtsfach Chemie• Aus den unterschiedlichen Schwierigkeiten bei der

Wahrnehmung im Test lassen sich Schlussfolgerungen für gute Visualisierung ableiten.

• Thesen: Cognitive load Bilder beschleunigen Wahrnehmung Lesen stört Bilder Zu viel ist ungesund Unsere Medien enthalten Metainformation

(die wir nicht hineingesetzt haben)

Gedächtnismodell:

1. Arbeitsgedächtnis:– 2-5 „chunks“, Sinneinheiten– 20-30s haltbar

2. Langzeitgedächtnis:– mengenmäßig (wahrscheinlich) unbegrenzt– Zeitlich (wahrscheinlich) unbegrenzt

Cognitive Load Theory


„Chunks“ = Sinneinheiten


„Chunks“ = Sinneinheiten

kindchildcopilanak

enfantdzieckogyerekcriança


Zu viele Sinneinheiten

In unstrukturierter Umgebung muss das Auge geführt werden:



Hervorheben im Kontext:



In strukturierter Umgebung fällt die selbe Sinneinheit von selber auf:

Chalupa: The visual Neurosciences. MIT press, Cambridge.


Bevorzugte Arbeitsweise der Hirnhälften

Links:• analytisch• sprachlich, verbal• rational• seriell (jeweils nur 1 Information)• Zeitempfinden• linear• Details• Zentrum für Wörter, Zahlen,

Regeln• Gesprochene Sprache,

Grammatik, Wortstellung• Zuordnung nach Funktion

• Bei Gesichterbeschreibung gut

Rechts:• synthetisch• bildlich, visuell• intuitiv, kreativ• parallel (Bilder)• Raumempfinden• Zusammenhänge• ganzheitlich• Zentrum für Spontaneität,

Gefühle• Körpersprache, Mimik, Gestik

• Zuordnung nach Erscheinungsbild

• bei Gesichtererkennung gut

Lateralisierung wie hier beschrieben gilt nur für die meisten Rechtshänder



Metainformation 1: Bsp. Vasarely


Formen werden interpretiert

Mann mit Saxophon…

…oder Frau ?


Gesichter sind bevorzugt: Bsp. Face on Mars

Metainformation 2a: Bsp. hohe Sättigung

Metainformation 2b: Bsp. niedrige Sättigung



Wirkung bei Sachbildern


Falsche Codierung

© Roland Spinola


Codierter Kommunikation

Sender

inneres Bild

Satz

Wort

Laut

Zeichen

Code

Code

CodeCode

Empfänger

inneres Bild

Satz

Wort

Laut

Zeichen

Code

Code

CodeCodeÜbertragungSchrift

Sprache

Code

Code

Bsp.: „Ich sehe einen Hund.“

Code

Code

CodeCode


Nicht codierter Kommunikation

Sender

inneres Bild

Auswahl

Empfänger

inneres Bild

Einordnen

äußeres Bild


Hemisphärische Verarbeitung


linkeHemisph.

rechteHemisph.

„Schwefel“

Codierte und nicht codierte Information


Bild betrachten

lesenDie thermodynamisch stabile Modifikation des Schwefels ist die rhombisch kristalline Form…

sprechen

(tun)

Gehirn

höherevisuelle Z.

Decodieren

Decodierenhöhere

akust. Z.

optisch (75%)

akustisch (13%)


Visuelle SignalverarbeitungV1 primärer visueller Cortex (kommt vom Kniehöcker aus der Mittelfurche an die hintere Oberfläche)

V2-V5 zweiter bis fünfter visueller Cortex

A Assotiationsfelder

V2 V1V4

V3

Frontallappen

Temporallappen(Schläfen~)

Parietallappen(Scheitel~)

Kleinhirn

Occipitallappen(Hinterhaupts~)

?

WO

WASA

TE

V5V5


Auditive SignalverarbeitungS1 primäres Sprachzentrum

S2 sekundäres Sprachzentrum (Wernicke-Areal)

M motorische Felder (Broca-Areal)

A Assotiationsfelder

Frontallappen



Kleinhirn


S1S2

MA

V


Getrennte Wege für visuell und auditiv

V1

A


3 Begründung aus der Fachdidaktik


Erkenntnisebenen

Submikroskopische Ebene:• Teilchen-Ebene, abstrakt• chemische Eigenschaften• einzelne Moleküle („Aussehen“) • verschiedene Modelldarstellungen

Makroskopische Ebene:• Stoff-Ebene, konkret (anfassbar)• Populationen von Molekülen• Physikalische und

Material-Eigenschaften


Beispiel: Denkfiguren 1Makroskopische und submikroskopische Ebene


Beispiel: Denkfiguren 2Aufbau von Unterricht und Vortrag

• Wenige Elemente

• symmetrisch

Daraus zieht das Gehirn die Schlußfolgerung :

• das ist ja einfacher als gedacht

• kann ich

• freu mich, Erfolg.


Codierungsgrad

Schrift Denkfigur Grafik Foto Film

Cod

ieru

ngsg

rad


Beispiel 1: Der Wasserdampf

Ikarus, Natur & Technik 5, Oldenbourg, S. 51


Beispiel 2: Proteinstruktur

Jgst. 9: Wo sind die H-Brücken?

Die weiße Bandstruktur? Die wäre helical.


Zusatzbeispiel: zu knappe Bildunterschrift

Wo ist die Natronlauge drin?


Zusatzbeispiel: falsche Bildunterschrift

Wie bitte?


Erinnerung: Wahrnehmungsgesetze

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~ ~~~ ~~~ ~~~ ~~~ ~~

~ ~~~ ~~~ ~~~ ~~~ ~~~ ~~~ ~

~~~~

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~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

~ ~~~~~

z.B. Gesetz der glatt durchlaufenden Linie:


Wahrnehmungsgesetze...gelten auch für Folien, Arbeitsblätter und Abbildungen:


Beispiel 3: Das MolkonzeptQuelle: Schülerheft, GMG Bayreuth, 12/2007.

• Viel zu viele Elemente

• Keine Reduktion der Zahl möglich, nicht durch Symmetrie und nicht durch Gruppierung

Daraus zieht das Gehirn die Schlußfolgerung :

• kompliziert

• kann ich nicht.

Masse

m [g]

Teilchen-zahl

N

Volumen

V [l]

Stoff-menge

n [mol]

Stoffmengen-konzentration

l

mol

V

nc

MolaresVolumen

mol

l

n

VVM

Molare Masse

mol

g

n

mM

Dichte

l

g

V

m

Atom-masse

gN

mma

Avogadro-Konstante

mol

1

n

NNa


Beispiel 3: Das MolkonzeptMaßnahme 1:• Unterscheidung der

Qualitäten „Basisgröße“ und „Hilfsgröße zur Umwandlung“; erfordert ZWEI Blicke zum erfassen.

• Einsatz als Arbeitsfolie und Zusammenfassung

• Zur Erarbeitung Gliederung nötig

• Nachteil: zentrale Stellung von n nicht deutlich.

Masse

m [g]

Teilchen-zahl

N

Volumen

V [l]

Stoff-menge

n [mol]Stoffmengen-konzentration

l

mol

V

nc

MolaresVolumen

mol

l

n

VVM

Molare Masse

mol

g

n

mMDichte

l

g

V

m

Atom-masse

gN

mma

Avogadro-Konstante

mol

1

n

NNa


Beispiel 3: Das Molkonzept

Maßnahme 2:

• Stärkere Betonung der zentralen Stellung von n

Masse

m [g]

Teilchen-zahl

N

Volumen

V [l]

Stoff-menge

n [mol]


l

mol

V

nc

MolaresVolumen

mol

l

n

VVM

Molare Masse

mol

g

n

mM

Dichte

l

g

V

m

Atom-masse

gN

mma

Avogadro-Konstante

mol

1

n

NNa

• Hohes Maß an Symmetrie

• n noch nicht optimal im Zentrum



n(X) : n(Y)

m(X)

N(X)

V(X)

c(X)

m(Y)

N(Y)

V(Y)

c(Y)

• grundsätzlich auch noch zu viele Elemente, aber...

• Reduktion der Zahl durch Symmetrie und Gruppierung möglich.

• n ideal zentralisiert.

Alternative:


Persönliche Bewertung?

Masse

m [g]

Teilchen-zahl

N

Volumen

V [l]

Stoff-mengen [mol]Stoffmengen

-konz.

l

mol

V

nc

MolaresVolumen

mol

l

n

VVM

Molare Masse

mol

g

n

mM

Dichte

l

g

V

m

Atom-masse

gN

mma

Avogadro-Konstante

mol

1

n

NNa

n(X) : n(Y)

m(X)

N(X)

V(X)

c(X)

m(Y)

N(Y)

V(Y)

c(Y)


Durch Studierende erarbeitete Variante

A + B C + Dm(A,B)

N(A,B)

V(A,B)

c(A,B)

m(C,D)

N(C,D)

V(C,D)

c(C,D)


Negativbeispiel: DiamantenpreiseTufte, Edward R.: Envisioning Information.

Graphics Press, Cheshire, Connecticut 1990.


Didaktische Planung

Was(Inhalte)

Wo(did. Orte)

mediales Wie

VisualisierungVerfahrens-Wie

Für wen(Zielgrp.)

Zusammenf.

Lösungsplanung

DokumentationAnwendung

Festigung

Einführung

Problemfindung

Erarbeitung/Lösung

Übertragung

RealexperimentModellexperim.

DenkmodellMathem. Modell

Materielles ModellBewegtes Bild

Tafelskizze…

Jgst. 5Jgst. 6

Jgst. 7Jgst. 8Jgst. 9

Jgst. 10

Jgst. 11

Jgst. 12

Differenz.grp.

FormelschreibweiseTeilchenstruktur

Zeitliche Abläufe (Masse)Zeitliche Abläufe (Energie)

DenkstrukturMesswerte

VereinbarungenNaturgesetz…

Fragend

Klassifizierung

Forschend

Entwickelnd

Hierarchisierung

Entdeckend…


Fallbeispiel allgemeinGut:• Anbieten von Bild und Ton:

die Leistungen beider Wege werden im Gehirn genutzt.

• Synchrones Anbieten:die richtige Interpretation wird durch das Gesetz der Nähe unterstützt.

• Widerspruchsfreie Information auf den beiden Kanälen:weil das Gehirn Bearbeitungszeit spart

• einfach codiert:gut, weil das Gehirn mit einem Durchlauf zum Ergebnis kommt.

Schlecht:• Präsentieren von Bild oder Ton:

ein Weg wird vergeben.

• Zeitversetztes Anbieten:Zusammengehörigkeit der Information wird nicht erkannt.

• Widerspruch zwischen den beiden Kanälen:das Gehirn muss öfter zur Überprüfung ansetzen

• mehrfach codiert:schlecht, weil das Gehirn mehrere Durchläufe benötigt.


Chemische Bezeichnungen und Schmelzpunkte (°C) : Methansäure; 8,4, Ethansäure; 16,6, Propansäure; -22, Butansäure; -5, Pentansäure; -34,5, Hexansäure; -1,5, Heptansäure; -11, Octansäure; 16,5, Nonansäure; 12,5,

Decansäure; 31,5, Undecansäure; 28, Dodecansäure; 44, Tridecansäure; 43, Tetradecansäure; 54,5, Pentadecansäure;

52,3, Hexadecansäure; 63, Heptadecansäure; 61, Octadecansäure; 69

Fallbeispiel konkret: Variante 1

Aufgabe: Formulieren Sie eine allgemeine Aussage über den Verlauf der Schmelzpunkte bei Carbonsäuren!


Chemische Bezeichnungen

Schmelzpunkte (°C)

Methansäure 8,4

Ethansäure 16,6

Propansäure -22

Butansäure -5

Pentansäure -34,5

Hexansäure -1,5

Heptansäure -11

Octansäure 16,5

Nonansäure 12,5

Decansäure 31,5

Undecansäure 28

Dodecansäure 44

Tridecansäure 43

Tetradecansäure 54,5

Pentadecansäure 52,3

Hexadecansäure 63

Heptadecansäure 61

Octadecansäure 69

Variante 2



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

-40

-20

0

20

40

60

80

Temperatur

Variante 3Aufgabe: Formulieren Sie eine allgemeine Aussage über den Verlauf der Schmelzpunkte bei Carbonsäuren!


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Temperatur

8.4

16.6

-22

-5 -34.5

-1.5

-11

16.5

12.5

31.5

28 44 43 54.5

52.3

63 61 69-30

-10

10

30

50

70

Schmelztemperatur von Carbonsäuren (C-Atome)

Tem

per

atu

rVariante 4




ZusatzbeispielWo befindet sich die Zone mit den „T“?


Nicht ganz gleichwertige Interpretationen


Bewegung: wie viele Punkte sehen Sie?


Kontextabhängige Interpretation


Kontextabhängige InterpretationSehen Sie DaVinci?

Wie viele?

Oder Reiter?

Wie viele?

Oder beides?


Kontextabhängige InterpretationWas sehen Sie?

Wann?

Warum?



Masse

m [g]

Teilchen-zahl

N

Volumen

V [l]

Stoff-menge

n [mol]


l

mol

V

nc

MolaresVolumen

mol

l

n

VVM

Molare Masse

mol

g

n

mM

Dichte

l

g

V

m

Atom-masse

gN

mma

Avogadro-Konstante

mol

1

n

NNa

Variante 2:


Finden Sie die Zahl, die sich rechts von

einem Punkt, oberhalb eines

Sterns, unterhalb einer fünf und links

von einem Buchstaben R

befindet!





befindet!





befindet!





befindet!





befindet!





befindet!


Finden Sie:

Finden Sie:

Finden Sie:

Finden Sie:

Finden Sie:

Finden Sie:


Auditive SignalverarbeitungA Assoziationsfelder

S Sprachzentren

M motorische Felder (Broca-Areal)

V visuelle Zentren

Frontallappen



Kleinhirn


S1S2

MA

V

?

WO

WAS

TE

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