Wie Grundschüler von Tablet-Lernangeboten profitieren können

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 24.11.2016

Studie der Tübinger Bildungsforschung: Der Einsatz von Tablet-Programmen sollte auf Lernziele und die Voraussetzungen der Nutzer zugeschnitten sein

Grundschüler profitieren von Tablet-Lernangeboten im Unterricht – aber nur, wenn diese an die jeweiligen Lernziele sowie die kognitiven Fähigkeiten des einzelnen Kindes angepasst sind. Zu diesem Schluss kommen Tübinger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Hector-Instituts für Empirische Bildungsforschung und des Leibniz-Instituts für Wissensmedien in einer Studie. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Learning and Individual Differences“ veröffentlicht.

Tablet-Computer lassen sich intuitiv durch Bildschirmberührung und Steuergesten bedienen. Auch jüngeren Kindern ist so prinzipiell der Zugang zu komplexen computerbasierten Lernangeboten möglich. Aber können sie derartige Angebote schon sinnvoll nutzen? Und führen komplexe Tablet-Apps für Grundschüler im Vergleich zu einfacheren Angeboten auch zu einem erhöhten Lernerfolg? Um dies zu beantworten, verglichen die Tübinger Forscher zwei verschiedene Tablet-Lernanwendungen und untersuchten, ob Kinder mit sogenannten Hypermedien ‒ das sind vernetzte Dokumente, die mit anderen Medien wie Grafik, Ton oder Video elektronisch verlinkt sind ‒ vertiefter lernen als mit einfacher strukturierten Tablet-Angeboten wie einem multimedialen E-Book zum Durchblättern.

Ihr Fazit: Das Lernen mit Hypermedien hat Vorteile für das mehrperspektivische Denken, also die Fähigkeit, ein Problem aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten. Dies funktioniert aber nur, wenn Schülerinnen und Schüler über ein hinreichend leistungsfähiges Arbeitsgedächtnis verfügen. Beim Faktenwissen schnitt die „einfache“ Lernumgebung eines E-Books besser ab.

Für die Studie entwickelten die Wissenschaftler zwei Arten von Lernmaterialien für Tablets, mit deren Hilfe sich Kinder Wissen über das Thema Biodiversität von Fischen aneignen sollten. Fast 200 Viertklässler aus Baden-Württemberg sollten sich in die Rolle eines Aquariummitarbeiters versetzen und mit zwei Dutzend verschiedenen Fischarten beschäftigen. Mit Hilfe von Tablets bewältigten sie konkrete Aufgaben zu verschiedenen Themenbereichen: Welches Futter brauchen einzelne Fischarten? In welchem Gewässer sind sie zuhause? Leben sie als Einzelgänger oder im Schwarm? Die Aufgaben waren so gestellt, dass die Kinder insgesamt sechs solcher thematischen Perspektiven einnehmen und miteinander in Beziehung setzen mussten. Damit sollte über reines Faktenlernen hinaus auch mehrperspektivisches Denken geschult werden, das für komplexe Problemstellungen wichtig ist.

Die Kinder der einen Gruppe erhielten ein hypermediales Tablet-Lernangebot. Als Ausgangspunkt wurden alle Fischarten in einer alphabetischen Anordnung abgebildet. Wenn die Kinder eine der Abbildungen auf dem Bildschirm berührten, erhielten sie zusätzlich einen Text und ein Video mit Informationen zur jeweiligen Fischart. Außerdem gab es sechs Schaltflächen, mit denen die Kinder die Fische automatisch thematisch umsortieren konnten, zum Beispiel im Hinblick auf Essgewohnheiten, Lebensraum oder Sozialverhalten. Die Kinder der zweiten Gruppe wurden nicht durch diesen hypermedialen Perspektivenwechsel unterstützt. Sie nutzten auf dem Tablet ein multimediales E-Book zum Durchblättern. Dies enthielt zwar die gleichen Informationen zu den verschiedenen thematischen Perspektiven, die Informationen wurden aber in der Reihenfolge vorgegeben, wie sie zum Lösen der Aufgaben gebraucht wurden.

Gemessen wurde, wie gut Kinder die einzelnen Aufgaben mit dem Tablet bearbeiteten und wie gut sie sich später an die dafür relevanten Fakten erinnern konnten. Außerdem wurde erfasst, wie gut sie das am Fisch-Beispiel erlernte mehrperspektivische Denken auch auf neue Problemsituationen in anderen Bereichen anwenden konnten. Schließlich wurde erhoben, wie gut ihr Arbeitsgedächtnis in Bezug auf Sprache, Zahlen und visuelle Informationen funktionierte. Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass die Schüler sich Fakten besser merken konnten, wenn diese in der einfachen E-Book-Version präsentiert wurden. Das vertiefte Lernen im Sinne eines späteren mehrperspektivischen Denkens bei einer Transferaufgabe wurde aber besser mit dem komplexen hypermedialen Tablet-Lernangebot geschult. Dieser Vorteil fiel umso größer aus, je besser das Arbeitsgedächtnis der Kinder funktionierte. Nur für Kinder mit einer unterdurchschnittlichen Arbeitsgedächtniskapazität konnte kein Vorteil der Hypermedia-App gefunden werden.

„Das heißt nun aber nicht, dass hypermediale Tablet-Anwendungen leichtfertig im Unterricht  eingesetzt werden sollten“, erklärt Peter Gerjets vom Leibniz-Institut für Wissensmedien. Vielmehr kommt es immer darauf an, welches Lernziel man verfolgt und welche kognitiven Voraussetzungen die Schüler mitbringen. „Für Kinder, die über eine hohe Kapazität des Arbeitsgedächtnisses verfügen, scheinen Hypermedia-Apps jedoch potenziell nützlich zu sein, um vertiefte Lernprozesse anzuregen.“

Publikation:
Kornmann, J.,  Kammerer, Y., Zettler, I., Trautwein, U. & Gerjets, P. (2016). Hypermedia exploration stimulates multiperspective reasoning in elementary school children with high working memory capacity: A tablet computer study. Learning and Individual Differences, 51, 273-283.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Warum Reibung von der Zahl der Schichten abhängt

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.11.2016

Simulationen liefern neue Erkenntnisse über die Friktionseigenschaften von Graphen – Publikation in Nature

Die Reibungseigenschaften des zweidimensionalen Kohlenstoffs Graphen haben Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie in China und den USA anhand von Simulationen untersucht. Bei Kontakt mit einschichtigem Graphen ist die Reibung stärker als bei mehrschichtigem Graphen oder Graphit. Zudem steigt die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten. Dies erklären die Forscher mit der echten Kontaktfläche sowie der sich entwickelnden Kontaktqualität. Sie berichten in der Zeitschrift Nature. (DOI: 10.1038/nature20135)

Wenn Grenzflächen von Festkörpern sich berühren und gegeneinander bewegen, tritt Reibung auf. Energie wird dabei in Wärme umgewandelt, die ungenutzt verloren geht. Außerdem kommt es durch Reibung zu Abrieb und Verschleiß. Um die Reibung bei metallischen Gleitelementen und hohen Kontaktdrücken zu vermindern, beispielsweise in Automobilen oder Industriemaschinen, werden als Festschmierstoffe häufig Stoffe mit lamellarer Struktur eingesetzt, deren Partikel leicht aufeinander gleiten.

Einer der gängigsten Festschmierstoffe ist Graphit, eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs mit dreidimensionaler, geschichteter Struktur. Graphit besteht theoretisch aus mehreren, leicht versetzt übereinandergelegten Schichten von Graphen. Bei Graphen handelt es sich um eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur: Es besteht aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken wie Bienenwaben angeordnet sind. Graphen kommt in der Natur als isoliertes einschichtiges Material nicht vor, lässt sich aber über verschiedene Verfahren herstellen.

Experimente haben gezeigt, dass bei Kontakt mit einschichtigem Graphen eine stärkere Reibung auftritt als bei mehrschichtigem Graphen oder bei Graphit und dass die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten steigt. Die Gründe dafür waren bisher nicht geklärt. Wissenschaftler am Institut für Angewandte Materialien (IAM) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT haben nun gemeinsam mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg, der Xi’an Jiaotong University/China, der Tsinghua University in Beijing/China, dem Massachusetts Institute of Technology/USA und der University of Pennsylvania/USA die Experimente in atomistischen Simulationen reproduziert und sind dabei zu neuen Erkenntnissen über die schichtenabhängige Reibung und den Anstieg der Reibungskraft bei Graphen gelangt. Die Ergebnisse stellen die Forscher in der Zeitschrift Nature vor.

Bei den Simulationen ließen die Wissenschaftler eine Siliziumspitze über Graphen gleiten, das auf einem amorphen, das heißt nicht kristallinen Siliziumsubstrat aufgebracht war. Bisherige Arbeiten hatten angenommen, dass die Reibung zwischen Grenzflächen von der echten Kontaktfläche abhängt – der Zahl der Atome in dem Bereich, in dem interatomare Kräfte wirken –, und hatten die stärkere Reibung bei einschichtigem Graphen auf die größere echte Kontaktfläche zurückgeführt. Wie die Wissenschaftler des KIT und ihre Kollegen nun feststellten, spielt nicht nur die echte Kontaktfläche eine Rolle, sondern auch die sich entwickelnde Kontaktqualität.

Das dünnere und weniger fest gefügte einschichtige Graphen tendiert aufgrund seiner größeren Flexibilität dazu, seine Konfiguration immer neu einzustellen. So haften die Kohlenstoffatome stärker an den Atomen der Siliziumspitze und zeigen eine größere Synchronizität in ihrem Haft-Gleit-Verhalten. Die Kontakte auf der atomaren Skala nehmen quantitativ – was die Fläche betrifft – und qualitativ – was die Reibungskraft betrifft – zu. „Mit unserem Konzept der sich entwickelnden Kontaktqualität lässt sich erklären, warum sich die Reibung bei Grenzflächen mit lockerer Struktur über die Zeit verändert“, erklärt Dr. Suzhi Li vom IAM – Computational Materials Science des KIT. (or)

Publikation:
Suzhi Li, Qunyang Li, Robert W. Carpick, Peter Gumbsch, Xin Z. Liu, Xiangdong Ding, Jun Sun & Ju Li: The evolving quality of frictional contact with graphene. Nature, 2016. DOI: 10.1038/nature20135

Externer Link: www.kit.edu

Ferninfrarote Spürnase

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 18.11.2016

An der Universität Innsbruck wird eine neue Technologie für die Analyse von Spurengasen entwickelt, die auf Terahertz-Spektroskopie basiert. Der Europäische Forschungsrat ERC unterstützt nun die Forscher um Roland Wester mit einem Proof of Concept Grant bei der Herstellung von Prototypen, parallel dazu werden Industriepartner gesucht. Durch den Einsatz von Ferninfrarotstrahlung wird das neue Gerät robust, flexibel und mobil.

Der Molekülphysiker Roland Wester hält zwei Spiegel aus Aluminium in der Hand. Sie werden das Herz des neuen Analysegeräts für den Nachweis von geringsten Mengen von Spurengasen bilden. In das Gerät wird Gas geleitet und trifft dort auf Ferninfrarotstrahlung einer bestimmten Frequenz. Absorbieren Gasmoleküle aufgrund ihrer Eigenschaften die Strahlung, kommt es zu einer Intensitätsänderung. Daraus kann das Gerät auf das Vorhandensein eines bestimmten Moleküls schließen. „Terahertz-Strahlung ist aus physikalischen Gründen sehr gut zum Nachweis bestimmter Moleküle wie des Hydroxyl-Radikals geeignet“, sagt Roland Wester vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik. „Die Schwierigkeit ist, dass Resonatoren, die zum empfindlichen Nachweis notwendig sind, für diese relativ langwellige Strahlung – die Wellenlänge entspricht ungefähr der Dicke eines Haares – nicht einfach herzustellen sind.“ Die Innsbrucker Forscher haben dafür jedoch einen gangbaren Weg gefunden, der auch noch ein kompaktes Design erlaubt.

Mobiles Analysegerät für Spurengase

Die Idee für das neue Analysegerät basiert auf Forschungen im Rahmen eines vom europäischen Forschungsrat ERC finanzierten Projekts zur Terahertz-Spektroskopie. Terahertz-Strahlung ist hochfrequenter als konventionelle Mikrowellen und wesentlich langwelliger als sichtbares Licht. Mit dem an der Universität Innsbruck vorhandenen Know-how werden nun unterstützt vom ERC in den nächsten 18 Monaten Prototypen gebaut. Die Geräte werden in einem Rack untergebracht und damit auch transportabel. Für den Einsatz in der Praxis und die weitere Miniaturisierung suchen die Forscher gemeinsam mit der Transferstelle der Universität Innsbruck nach Partnern aus der Industrie. Die Voraussetzungen dafür sind gut, denn die neue Technologie ist relativ einfach programmierbar und kann für unterschiedliche Molekültypen kalibriert werden. Auch ist der Ansatz aus physikalischen Gründen robuster als vergleichbare optische Konzepte. Mit dem mobilen Terahertz-Analysator könnten bald lokale Konzentrationen von Spurengasen in der Abluft industrieller Prozesse oder in der Atmosphäre gemessen werden.

Innovationsförderung des EU-Forschungsrats

Mit den Proof of Concept Grants hat der europäische Forschungsrat im Jahr 2011 eine Möglichkeit geschaffen, die kommerzielle Verwertung für die im Rahmen von ERC Grants entstandenen Ideen und Forschungsergebnisse zu fördern. Ziel ist es dabei, die Technologien soweit zu entwickeln, dass sie für Unternehmen oder Risikokapitalgeber interessant werden und so schließlich den Weg in den Markt finden.

Externer Link: www.uibk.ac.at

Die Spitzen-Leistung der Elektronen

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Presseaussendung der TU Wien vom 15.11.2016

Scharfe Metallspitzen verwendet man, um Elektronen gezielt in eine Richtung zu senden. Ein Quanten-Effekt liefert nun eine neue Methode, die Elektronen-Emission extrem genau zu kontrollieren.

Wenn man Elektronen präzise kontrollieren will, dann lässt man sie aus feinen Metallspitzen austreten – so macht man das etwa in einem Elektronenmikroskop. Seit Kurzem werden solche Metallspitzen auch als hochpräzise Elektronenquellen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Ein Team der TU Wien entwickelte nun gemeinsam mit einer Forschungsgruppe aus Deutschland (FAU Erlangen-Nürnberg) eine Methode, diese Elektronenemission mit Hilfe zweier Laserpulse viel genauer zu steuern als bisher. Damit wird es jetzt möglich, den Fluss der Elektronen auf extrem kurzen Zeitskalen ein- und auszuschalten.

Nur die Spitze zählt

„Die Grundidee ist ähnlich wie beim Blitzableiter“, erklärt Prof. Christoph Lemell vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Das elektrische Feld rund um eine Nadel ist immer genau an der Spitze am größten. Daher schlägt der Blitz in die Spitze des Blitzableiters ein, und aus demselben Grund verlassen Elektronen die Nadel genau an der Spitze.“

Mit modernen Methoden der Nanotechnologie kann man heute extrem feine Nadeln herstellen, ihre Spitze hat eine Ausdehnung von wenigen Nanometern. Man weiß also sehr genau, an welcher Stelle die Elektronen das Metall verlassen. Wichtig ist es zusätzlich nun aber auch, eine genaue Kontrolle darüber zu haben, ob und zu welchem Zeitpunkt die einzelnen Elektronen aus der Metallspitze austreten.

Genau das wird nun mit einer neuen Technik möglich: „Man beschießt die Metallspitze mit zwei verschiedenen Laserpulsen“, erklärt Florian Libisch (TU Wien). Die Farben dieser Laser wählt man so, dass die Lichtteilchen des einen Lasers genau doppelt so viel Energie haben wie die Lichtteilchen des anderen Lasers. Wichtig ist außerdem, dass die Lichtwellen der beiden Laser perfekt im gleichen Takt schwingen.

Das Team von der TU Wien konnte aufgrund von Computersimulationen vorhersagen, dass sich die zeitliche Verzögerung eines der beiden Pulse als „Schalter“ für die Elektronenemission verwenden lässt. Diese Vorhersage wurde nun von der Forschungsgruppe von Prof. Peter Hommelhoff von der FAU Erlangen-Nürnberg experimentell bestätigt. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte auch der detaillierte Prozessablauf erklärt werden.

Elektronen, die Lichtteilchen absorbieren

Schießt man Laserpulse auf die Metallspitze kann das elektrische Feld des Lasers Elektronen aus dem Metall reißen – das war bereits bekannt. Neu ist allerdings, dass es durch die Kombination von zwei verschiedenen Lasern eine Möglichkeit gibt, die Emission der Elektronen auf wenige Femtosekunden genau zu kontrollieren.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ein Elektron ausreichend viel Energie bekommen kann, um die Nadelspitze zu verlassen: Beispielsweise kann das Elektron entweder ein Lichtteilchen des Lasers mit höherer Energie und zwei Lichtteilchen mit niedrigerer Energie absorbieren oder aber vier Lichtteilchen des niederenergetischen Laserpulses. Beides führt zum selben Ergebnis. „So wie ein Teilchen im Doppelspaltexperiment, das sich auf zwei Pfaden gleichzeitig bewegt, kann ein Elektron auch hier zwei verschiedene Wege gleichzeitig beschreiten“, erklärt Prof. Joachim Burgdörfer (TU Wien). „Die Natur legt sich nicht fest, welchen Weg das Elektron nimmt – beide Möglichkeiten finden gleichzeitig statt und überlagern einander.“

Durch präzise Kontrolle der beiden Laser kann man nun einstellen, ob sich diese beiden Quanten-Möglichkeiten gegenseitig verstärken – dann kommt es zu einer erhöhten Emission von Elektronen – oder ob sie einander stattdessen auslöschen sollen, sodass praktisch überhaupt keine Elektronen ausgesandt werden. So kann man einfach und effektiv die Elektronen-Emission kontrollieren.

Das ist nicht nur eine ganz neue Methode, mit der man nun wichtige Experimente mit energiereichen Elektronen durchführen kann, die neue Technik soll in Zukunft auch eine sehr präzise Steuerung von Röntgenstrahlen ermöglichen: „Es wird bereits an innovativen Röntgen-Quellen gearbeitet, die Arrays aus feinen Nano-Spitzen als Elektronenquelle verwenden“, erklärt Lemell. „Mit unserer neuen Methode könnte man diese Nano-Spitzen genau richtig ansteuern, um kohärente Röntgenstrahlung zu erzeugen.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Phys. Rev. Lett. 117, 217601 DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.217601

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Physikern genügt eine billionstel Sekunde zur Kontrolle blitzschneller Quantenbits

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 14.11.2016

Quantencomputer, die bestimmte Probleme im Vergleich zu heutigen Rechnern um ein Vielfaches effizienter lösen können, stecken technisch noch in den Kinderschuhen. Diejenigen Abläufe in der Quantenwelt präzise zu steuern, die Informationen speicher- und lesbar machen, ist außerordentlich herausfordernd. Physikern der Universität des Saarlandes um Professor Christoph Becher ist es nun gelungen, ein Quantenbit, das als Grundlage für die Informationsspeicherung dient, blitzschnell und vollständig zu kontrollieren. Da solche Quantenbits sehr instabil und kurzlebig sind, mussten sie dafür einen Laserpuls nutzen, der nur eine billionstel Sekunde lang ist. Ihre Methode haben sie in der heutigen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Nature Communications beschrieben.

Quantencomputer versprechen Lösungen für Rechenprobleme, die heutige, konventionelle Großrechner noch in die Knie zwingen oder ihnen zumindest extrem lange Rechenzeiten abverlangen. Ein Quantencomputer kann bestimmte mathematische Probleme erheblich effizienter lösen als heutige Rechner und so z.B. für Simulationen im Bereich der Wirkstoffentwicklung oder Materialforschung von unschätzbarem Wert sein.

Dahinter steckt die Informationsverarbeitung mit Qubits. Nehmen die Bits in heutigen Rechnern die Zustände 0 oder 1 ein, können Quantenbits beide Zustände gleichzeitig, einen so genannten Überlagerungszustand, einnehmen. Auf diese Weise können Rechenoperationen in Quantencomputern um ein Vielfaches schneller ablaufen – theoretisch. Denn noch ist die Kontrolle solcher Quantenbits extrem schwierig. Das liegt unter anderem an der sehr kurzen Zeitspanne, in denen ein Quantenbit zwei Zustände gleichzeitig innehat. Diese so genannte Kohärenzzeit beträgt bei den Quantenbits, die Saarbrücker Physiker erforschen, gerade einmal 45 Nanosekunden, das sind 45 milliardstel Sekunden. Dennoch ist es den Saarbrücker Forschern nun gelungen, ein Quantenbit auch in dieser extrem kurzen Zeitspanne vollständig zu kontrollieren.

Dazu nutzte Doktorand Jonas Becker aus Christoph Bechers Team spezielle Laser, mit denen er gezielt beliebige Überlagerungszustände  in einem sogenannten Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum (SiV), das als Quantenbit fungiert, erzeugen konnte. „Aufgrund dessen spezieller elektronischer Struktur konnten wir ultrakurze Laserpulse von nur knapp einer Pikosekunde, das ist eine billionstel Sekunde, zur Kontrolle zu nutzen. Dies erlaubt Quanteninformationsverarbeitung mit extrem hoher Geschwindigkeit und ermöglicht es, tausende von Rechenoperationen innerhalb der Kohärenzzeit des SiV durchzuführen“, erklärt Becker.

Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum ist ein gewollt eingebauter „Fehler“ in der atomaren Gitterstruktur eines ansonsten hochreinen künstlichen Diamanten, der aus reinem Kohlenstoff besteht. Statt des gewohnten Kohlenstoffatoms befindet sich an einer Stelle des Gitters ein Silizium-Atom. Im Gegensatz zum Diamant selbst wechselwirken solche Defekte oftmals sehr stark mit Licht. Daher ist es möglich, den internen Quantenzustand dieser Zentren mithilfe von Lasern gezielt zu verändern und auf diese Weise Information zu speichern. „Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum in Diamant ist ein sehr vielversprechender Kandidat für Anwendungen der Quantentechnologien“ erklärt Jonas Becker. „Wir können viele solcher Zentren auf kleinstem Raum durch Beschuss eines hochreinen Diamanten mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugen. Die sehr guten optischen Eigenschaften des Zentrums erlauben zudem eine effiziente optische Vernetzung der Defekte und die Kontrolle einzelner SiVs in Systemen mit mehreren Quantenbits, da wir die Laser mit hoher räumlicher Auflösung auf einzelne Zentren fokussieren können“, so Becker weiter.

In zukünftigen Arbeiten können die hier entwickelten Kontrolltechniken genutzt werden, um konkrete Bausteine für Quantenkommunikations-Anwendungen zu realisieren, wie etwa Systeme zum Speichern von Quanteninformation sowie Schnittstellen zwischen Quantenbits und Licht.

Publikation:
„Ultrafast all-optical coherent control of single silicon vacancy colour centres
in diamond“, 14. November 2016, Fachzeitschrift Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms13512.

Externer Link: www.uni-saarland.de