Multitouch and Beyond

Physik und Multitouch

Die Multitouch-Technologie erlaubt neue und intuitive Formen der Interaktion mit Computern. Dabei werden Eingaben nicht über Maus und Tastatur getätigt, sondern direkt mit dem Finger. Neben vielen anderen Anwendungsgebieten, kann die Multitouch-Technik auch für multimediales Lernen eingesetzt werden. Besonders für exploratives und selbstgesteuertes Lernen macht dies Sinn.
TouchPhysics ist eine gesten-basierte Multitouch-Anwendung, die auf diesem Prinzip aufbaut. Dabei werden physikalische Verhaltensweisen von Objekten und ihre Auswirkungen auf andere Objekte veranschaulicht, die in der echten Welt nicht zu sehen sind. So werden zum Beispiel die verschiedenen Kräfte simuliert, die auf einen Körper einwirken.

Didaktik

Lernkarteikarte

Konkret geht es bei TouchPhysics um das Beispiel der Schiefen Ebene. Die Anwendung enthält, unter anderem, verschiedene Lernkarteikarten. Diese enthalten Erklärungen zum Themengebiet Schiefe Ebene, sowie alle nötigen physikalischen Formeln und Definitionen.  Ausgehend von den Eigenschaften der ausgewählten Objekte, werden dann die verschiedenen Kräfte dynamisch berechnet. Der Nutzer kann so beobachten, welche Parameter sich wo in den Berechnungen niederschlagen, und wie deren Auswirkung auf den gezeichneten Körper ist. Ziel von TouchPhysics ist es, das ganzheitliche Verständnis für das Thema zu fördern und interaktiv, spielerisch Wissen zu vermitteln. Es ist denkbar, dass das Physik-Lernprogramm im Unterricht verwendet wird. Ein Lehrer könnte so z.B. physikalische Berechnungen veranschaulichen. Außerdem könnte TouchPhysics als Ergänzung zum Unterricht dienen, bei dem Schüler selbstgesteuert ausprobieren und spielerisch ihr Wissen vertiefen.

Interaktion

Einstellen des Gewichts

Der Nutzer kann ganz einfach eine Kugel und eine Schiefe Ebene auf den Touchscreen zeichnen und diese mit dem Finger umher schieben. Die Elemente bekommen physikalische Eigenschaften und verhalten sich dabei ähnlich wie in der richtigen Welt. Diese Eigenschaften lassen sich direkt am Objekt ändern. So kann z.B. das Gewicht einer Kugel verstellt werden, indem der Nutzer den Pfeil der Gewichtskraft verlängert oder verkürzt. Diese Veränderung wirkt sich dabei unmittelbar auf die Interaktion aus. So wirkt eine schwere Kugel beim Bewegen träger als Leichtere. Größe und Winkel der Schiefen Ebene lassen sich ebenfalls bequem per Schieberegler verstellen.

Gestaltung

Schreibtisch Metapher

Besonderen Wert wurde bei TouchPhysics auf eine intuitive Bedienung und positive Nutzer-Erfahrung gelegt. Die Gestaltung basiert auf der Metapher eines Schreibtisches bzw. eines College-Blocks. Dadurch kann der Nutzer seine Vorerfahrungen aus der echten Welt auf das System übertragen. So verbirgt sich z.B. die Löschen-Funktion der Anwendung hinter dem Radierer, der ganz einfach auf der Zeichenfläche umher gezogen werden kann. Das Interface beinhaltet außerdem nur eine einzige Schaltfläche und lässt sich ansonsten komplett mit Bewegungen und Gesten steuern.

Umsetzung

Die konkrete Realisierung des Prototyps erfolgte auf dem ONE Multitouch-Tisch der Firma Evoluce. Die Anwendung selber wurde in ActionScript3 programmiert, wobei verschiedene ergänzende Programmierbausteine verwendet wurden. Zum einen liefert das Multitouch-Framework GestureWorks der Firma Ideum die nötigen Funktionen für die gestenbasierte Interaktion. Zum anderen ermöglicht die Physik-Engine Box2D, dass die gezeichneten Körper physikalische Eigenschaften erhalten. Zudem wurden weitere AS3-Ergänzungen verwendet, um z.B. die Objekt-Erkennung und die Funktionen von verschiedenen Interaktionselementen zu realisieren.

Allerdings konnte aufgrund von technischen Problemen und großer Komplexität nur ein Teil des ursprünglichen Konzepts umgesetzt werden. Trotzdem ist der Prototyp gut geeignet um die Grundidee der Anwendung zu erfahren und sein Physikwissen wieder etwas aufzufrischen.

Beim Überdenken des Konzepts und den Interaktionsmöglichkeiten haben wir noch ein paar Kleinigkeiten verändert, die die Anwendung noch intuitiver und interaktiver gestalten sollen:

Kraftvektoren über Gesten visualisieren

Zum einen sollen die Kraftvektoren zusätzlich zu den Schaltern, auch über Gesten angezeigt werden können. So ist es möglich von der Kugel aus in die jeweilige Richtung, in die die Hangabtriebskraft, die Normalkraft und die Gewichtskraft wirken einen Strich zu ziehen. Mit dieser Geste werden die Kraftvektoren an die Kugel angetragen.

Masse über Vektorenpfeil einstellen

Darüber hinaus kann die Gewichtskraft direkt über den Vektorenpfeil reguliert werden. Da die Erdbeschleunigung immer ca konstante 9,81 beträgt, ist der einzige Faktor, den der Nutzer verstellen kann, und der sich direkt auf die Gewichtskraft auswirkt, die Masse der Kugel. Diese wird nun nicht mehr über eine extra Navigation (vgl. “Die Kugel und ihre Masse”) zu verändern sein, sondern direkt über den Vektorenpfeil der Gewichtskraft. Zieht der Nutzer den Pfeil nach unten in die Länge, wird die Kugel schwerer und zur Visualisierung dunkler eingefärbt. Wird der Pfeil nach oben hin verkürzt, wird die Kugel leichter und dementsprechend heller eingefärbt. Der Regulationsspielraum beträgt jedoch nach wie vor 1kg bis 25kg. Um ein besseres Gefühl dafür zu haben wie die Länge des Pfeils sich auf das Gewicht der Kugel auswirkt, erscheint neben dem Pfeil eine Skala sobald der Nutzer den Pfeil berührt.

Hangabtriebskraft und Normalkraft

Hangabtriebskraft und Normalkraft können jedoch nach wie vor nicht direkt verstellt werden. Dies würde nach unserer Auffassung keinen Sinn ergeben, da sie sich auch im “echten Leben” aus der Gewichtskraft und vielen anderen Bedingungen ergeben und nicht direkt einzustellen sind.

Algodoo zeigt auch Kraftvektoren

Während unserer anhaltenden Recherche haben wir heute eine weitere Physik-Simulation entdeckt. Die Software nennt sich “Algodoo” und ist die kommerzielle Weiterentwicklung der kostenlosen 2D Physic Sandbox “Phun” von Emil Ernerfeldt. Es lässt sich schwer sagen, was genau Algodoo ist. Die Entwickler sehen das Computerprogramm als eine Mischung aus Lernsoftware, Computerspiel und Ingenieurs-Werkzeug.

Interessant sind für uns die Möglichkeiten, die Algodoo bietet. Zum Beispiel lassen sich Objekte zeichnen, denen dann verschiedene Parameter wie z.B. Masse oder Material zugeordnet werden können. Außerdem ist es möglich Kraftvektoren einzublenden und Verhältnisse (z.B. Zeit/Geschwindigkeit) in ein Koordinaten-System zeichnen zu lassen. Insgesamt bietet die Simulations-Software sehr viele Funktionen, die zum Spielen und  Experimentieren einladen. Die Demo-Version lässt sich für 15h ausprobieren.

Die Oberfläche von Algodoo hat einen sehr verspielten Charakter und richtet sich wohl in erster Linie an Kinder. Die Software ist außerdem optimiert für Intel-basierte Classemate PCs und Smartboards d.h. für Touch-Screens (allerdings nicht multitouch).

Unser Konzept unterscheidet sich leicht von Algodoo. Wir beschränken uns gezielt auf das Thema ‘Schiefe Ebene’ und zeigen die Vorgänge im Detail. Unsere Anwendung wird deshalb auch Berechnungen, Erklärungen, etc. enthalten.

Einen guten Eindruck von Algodoo verschafft dieses Promotion-Video:

Box zu Zeit, Weg, Geschwindigkeit

Die dritte und letzte Box erklärt Zeit, Weg und Geschwindigkeit und setzt diese in Zusammenhang.

Auch hier werden zunächst Definitionen geliefert. Anschließend können die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und die Strecke einzeln betrachtet werden. Hier werden jeweils Formeln gezeigt, die den Zusammenhang der Größen aufzeigen und es ermöglichen Berechnungen anzustellen.

Darüber hinaus wird die jeweilige Größe durch einen Graphen visualisiert, der zeigt wie sich die Größe im Verhältnis zur Zeit verhält (lineal, exponenzial oder gleichbleibend…).

Box zur Kraftzerlegung

Die zweite Box wird die Kraftzerlegung der Gewichtskraft in Normalkraft und Hangabtriebskraft erklären und bei Bedarf visualisieren. Auch hier werden einleitend Definitionen und Erklärungen geliefert. In den nächsten Schritten kann dann die Herleitung der Normalkraft und der Hangabtriebskraft nachvollzogen werden, um anschließend Werte in die Formeln einzusetzen und damit zu rechnen.

Um die Formeln für die Kräfte zu erklären (FH –> FG x sinα und FN–> FG x cosα) sieht unser Konzept kurze Animationen vor, die der Nutzer sich bei Bedarf einblenden lassen kann. Dabei werden die Winkel der schiefen Ebene abgetragen und aufgezeigt, wo der Winkel sich in dem Kräftedreieck wieder findet. So kann die Formel besser nachvollzogen werden. Zur Veranschaulichung kann der Nutzer sich auch hier die Kraftvektoren, der Normal- und der Hangabtriebskraft, an die Kugel auf der schiefen Ebene antragen lassen.

Tooltipps

Begriffe wie sinα, cosα oder Einheiten wie Newton werden in Tooltipps noch ein mal kurz und knapp erklärt und somit in Erinnerung gerufen. Um sich die Tooltipps anzeigen zu lassen, muss der Nutzer auf den jeweiligen Begriff klicken. Das Wissen darüber wo sich eine Ankathete, Gegenkathete oder Hypotenuse befindet, wird jedoch voraus gesetzt und nicht noch einmal vor Ort erklärt. Sollte es damit jedoch trotzdem noch Probleme geben, können solche Dinge in dem “Spickzettel” nachgesehen werden. Diesen findet der Nutzer, wenn er das “Blatt”, auf dem sich die schiefe Ebene befindet, an der unteren rechten Ecke hochhebt.

Box zur Gewichtskraft

In der ersten Box wird die Gewichtskraft definiert und erklärt. Dazu muss zunächst einmal definiert werden, wie sich eine Kraft zusammensetzt. Da Kraft sich durch Masse x Beschleunigung definert, wird auch die Beschleunigung eingeführt. Anschließend wird mit konkreten Werten gerechnet und das Ergebnis wird in Newton angegeben.

Wenn man das möchte, kann man sich die Visualisierung der Gewichtskraft einschalten. Dies funktioniert über einen Schalter innerhalb der Box. Ist die Visualisierung eingeschaltet, wird ein Kraftvektor direkt an der Kugel angetragen. Ein Icon in der Kopfleiste der Box zeigt an, dass die Einstellung hier möglich ist. Verstärkt wird dieser Hinweis durch eine farbliche Kodierung.

Die Boxen sind an eine Karteikartenmetapher angelehnt. So gibt es auch innerhalb der Boxen eine Abstraktionssteigerung, die der Nutzer sich nach und nach anzeigen lassen kann, indem er die Bereiche ein oder ausklappt. Die einzelnen Themen (Boxen) sind ebenfalls mit einem Farbspektrum versehen. Die Gewichtskraft ist Orange-gelb.

Wie bereits erwähnt soll die Masse der Kugel auf der schiefen Ebene verstellbar sein, sodass sich dadurch Auswirkungen auf andere Größen ergeben. Wir haben einige Visualisierungen der Einstellung durchgespielt und finden folgende für am Besten geeignet:

Schieberegler zum Einstellen der Masse

Sobald auf die Kugel getippt (“geklickt”) wird, erscheint ein größerer Einstellungsring um die Kugel herum, der die Kugel in sein Zentrum nimmt. Durch einen Schieberegler auf dem Ring kann nun das Gewicht und damit die Masse der Kugel verstellt werden, da die Kugel an sich nur schwerer und nicht größer wird. Wird der Schieberegler mit dem Uhrzeigersinn bewegt gewinnt die Kugel an Masse, gegen den Uhrzeigersinn verliert sie an Masse. Das aktuelle Gewicht der Kugel wird in Kilogramm über der Kugel angezeigt.

Die Masse wird durch Farben zusätzlich visualisiert. Es gibt Einstellungsmöglichkeiten zwischen 1 und 25kg. Dabei reicht das Farbspektrum von Hellblau (sehr leicht) über Blau (leicht), Dunkelblau (schwer) nach Schwarz (sehr schwer).

Tippt man erneut auf die Kugel, wird die Einstellung gespeichert und der Einstellungsring verschwindet.

Grobkonzept

Jetzt kommt das Grobkonzept auf den Tisch:

Die schiefe Ebene und die Kugel sollen durch den Nutzer erst einmal per Gestenerkennung auf den Tisch gezeichnet werden. Wie das funktioniert, lässt sich in vorherigen Blogeinträgen nachlesen. Das Konzept sieht vor, dass der Nutzer nur die Basisgrößen direkt verändern kann. Also Höhe und Länge der schiefen Ebene, sowie auch die Masse, indem er das Gewicht der Kugel verändern kann. Diese Größen lassen sich auch in der richtigen Welt verändern. Indirekt beeinflusst er durch eine Änderung natürlich auch bspw. den Winkel der schiefen Ebene oder die Geschwindigkeit der Kugel. Allerdings soll dies immer nur ein Resultat anderer Veränderungen sein.

Die schiefe Ebene ist im rechten Winkel fix, die anderen Winkel sind jedoch über die Anfasser an den Ecken verstellbar, indem eine andere Höhe oder Länge der schiefen Ebene eingestellt wird.

Die weitere Wissenvermittlung soll immer mehr an Abstraktion gewinnen. Der Erkärungs- und Berechnungs-Prozess ist in einzelne Bereiche untergliedert, die in verschiebbaren Boxen dargestellt werden. Diese sind jedoch, unabhängig davon wo sie hinverschoben werden, mit Pfeilen verbunden, sodass man einen roten Faden aufgezeigt bekommt, der Schritt für Schritt, Wissen vermittelt. Die Bereiche sind folgendermaßen aufgeteilt:

1. Größen, Basisgrößen (Erklärung und Berechnung von Länge, Masse, Höhe);
2. Größen, abgeleitete Größen (Erklärung und Berechnung von Kraft und Gewichtskraft);
3. Kraftzerlegung (Erklärung und Berechnung von Hangabtriebskraft, Normalkraft);
4. Einheiten, Formeln (Erklärung und Berechnung von Geschwindigkeit, Beschleunigung, etc.,  ohne Reibungskräfte und bei gleichbleibender Beschleunigung mit den Bedingungen auf der Erde)

Gestaltung

Gestalterisch haben wir uns auch schon ein paar Gedanken gemacht. Das ganze soll das “Look and Feel” eines typischen Collegeblocks bekommen. Dies kann z.B. durch Strichzeichnungen und einem Hintergrund aus zerknüllten Papier geschehen. Die Anwendung soll an schulische Zeiten erinnern, gleichzeitig das Thema aber auflockern und spielerisch darstellen. Durch die Gestaltung der Anwendung wollen wir die Nutzer auch zum Experimentieren, “Kritzeln” und Entdecken animieren.

Wie bereits im letzten Blogeintrag angedeutet, werden wir uns mit unserer Multitouch Anwendung der Schiefen Ebene widmen. Die Schiefe Ebene beschreibt einen Versuchsaufbau, der in unserem Fall von den Elementen Kreis und Schiefer Ebene (Dreieck) bestimmt wird. Trotz der physikalischen Einfachheit des Versuchs, werden Kräfte und ihre Wirkungsweise sowie ihre gegenseitige Beeinflussung gezeigt. Darüber hinaus können Einheiten wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Strecke und Zeit erfahrbar gemacht und in Beziehung zu einander gesetzt werden.

Da das Thema uns sowie physikalisch, als auch gestalterisch ausreichend Freiraum bietet, haben wir uns dazu entschieden, uns an diesem Experiment zu versuchen.

Dazu war zunächst einmal die Wiederholung der physikalischen Grundkenntnisse notwendig, bevor wir dann in erste konzeptionelle Gedanken übergehen konnten.

Schiefe Ebene

“Die Gewichtskraft eines Körpers auf der Schiefen Ebene lässt sich in zwei, einen rechten Winkel bildende Kraftkomponenten zerlegen”

–> Die Hangabtriebskraft (parallel zur geneigten Ebene)
–> Die Normalkraft (senkrecht zur geneigten Ebene)

Wenn :
FG: Gewichtskraft
FH: Hangabtriebskraft
FN: Normalkraft
b: (horizontale) Basis der schiefen Ebene

l: Länge der schiefen Ebene
h: Höhe der schiefen Ebene
α: Neigungswinkel

dann gilt:
FH: FG×sinα
FN: FG×cosα

Natürlich soll bei der Anwendung selbst auch die Möglichkeit bestehen, sich die Herleitungen, Formeln und Zusammenhänge der Formeln, anzeigen zu lassen, sodass ein Nachvollziehen und Verstehen möglich ist. Das würde hier aber den Blogeintrag ein wenig überreizen, daher gibt es an dieser Stelle nur einen kleinen Exkurs in die Anfänge der Physik