Jedes Labor in diesem Katalog wird innerhalb derselben virtuellen Umgebung betrieben, und in diesem Tutorial werden dessen Gewohnheiten erlernt. Immersive Simulationen sind heute in der naturwissenschaftlichen Ausbildung ein Standard-Schulungsinstrument aus demselben Grund, aus dem Flugsimulatoren in der Luftfahrt Standard sind: Die Studierenden üben reale Verfahren – das Anlegen von Schutzausrüstung, das Wiegen, das Messen von Volumina, das Testen des pH-Werts – ohne die Risiken realer Chemikalien und mit der Freiheit, jederzeit neu zu starten. Die Techniken selbst sind die echten: Eine elektronische Waage wird vor dem Gebrauch tariert, ein Volumen wird am unteren Meniskus abgelesen, der pH-Wert einer Lösung wird durch den Vergleich der Farbe eines Indikators mit einer Tabelle beurteilt. In diesem Tutorial lernen Sie, sich im virtuellen Labor mithilfe von Hand-Tracking oder Controllern zu bewegen und zu interagieren, die persönliche Schutzausrüstung anzulegen und sich dann vier kurzen Herausforderungen zu stellen: das Wiegen eines pulverförmigen Feststoffs auf der elektronischen Waage, das Messen eines Flüssigkeitsvolumens mit einem Messzylinder, das Zubereiten einer Lösung aus einer Feststoffprobe und das Überprüfen ihres pH-Werts mit einem Indikator sowie schließlich das Überprüfen und Senden Ihrer Ergebnisse über das Tablet.
Bildungsziele
Einarbeitung in die virtuelle Umgebung
- Navigieren Sie durch das virtuelle Labor und heben Sie Objekte mit Hand-Tracking oder den Controllern auf, verwenden und lassen Sie sie wieder los.
- Verwenden Sie die Menüs des Tablets, um die Ergebnisse zu überprüfen, sie zu senden und das Erlebnis neu zu starten, wenn etwas schiefgeht.
Verwendung von Schutzausrüstung
- Ziehen Sie den Kittel, die Schutzbrille und die Nitrilhandschuhe vor jedem Experiment an, um sich die Gewohnheit anzutrainieren, dass Sicherheit vor dem Vorgehen geht, selbst dort, wo eigentlich nichts spritzen kann.
Messung von Stoffen
- Wiegen Sie einen pulverförmigen Feststoff mit der elektronischen Waage ab und verwenden Sie die Tara-Taste, damit die Masse des Wägeschiffs automatisch ausgeschlossen wird.
- Messen Sie das Volumen einer Flüssigkeit mit einem Messzylinder, indem Sie am unteren Rand des Meniskus ablesen.
Grundlegendes chemisches Experimentieren
- Bereiten Sie eine Lösung zu, indem Sie einen Feststoff in Wasser lösen, und prüfen Sie dessen pH-Wert mit einem Indikatorliquid anhand der pH-Tabelle.
Analyse und Kommunikation von Ergebnissen
- Überprüfen Sie die gesammelten Ergebnisse auf dem Tablet und senden Sie sie ab. Üben Sie dabei den Dokumentationsschritt, mit dem jedes echte Labor endet.
Protokoll
Machen Sie sich zunächst mit Ihrer Umgebung vertraut. Im Labor werden Ihnen verschiedene Instrumente zur Verfügung gestellt, damit Sie einige Experimente durchführen können.
In der oberen rechten Ecke Ihres Arbeitsbereichs befindet sich eine Schaltfläche. Durch Drücken dieser Schaltfläche können Sie jederzeit zwischen Virtual Reality und Augmented Reality wechseln.
- Um ein Objekt mit Hand-Tracking aufzunehmen, platzieren Sie Ihre offene Hand gegenüber dem Objekt. Wenn das Objekt grün wird (ein Zeichen dafür, dass es aufgenommen werden kann), schließen Sie Ihre Faust vollständig, um das Objekt aufzunehmen.
- Um das Objekt mit Hand-Tracking freizugeben, müssen Sie einfach die Hand wieder öffnen.
- Um ein Objekt mit den Controllern zu greifen, platzieren Sie Ihre Hand gegenüber dem Objekt. Wenn das Objekt grün wird (Symbol dafür, dass es aufgehoben werden kann), halten Sie die Aufheben-Taste gedrückt.
- Um das Objekt mit den Controllern freizugeben, lassen Sie einfach die Aufnahmetaste los.
Sie können jederzeit zum Meta-Menü zurückkehren, indem Sie die Menü-Zugrifftaste des Geräts drücken oder im Hand-Tracking-Modus die in der Kurzanleitung angezeigte Geste ausführen.
Im Falle eines Problems können Sie das Erlebnis auch zurücksetzen, indem Sie die Schaltfläche "Neustart" auf dem Tablet drücken. Diese befindet sich im Optionsmenü, das über das Hauptmenü aufgerufen werden kann.
Suchen Sie die Laborsicherheitseinrichtungen.
- Der Laborkittel, die Schutzbrille, die Nitrilhandschuhe und die Thermoschutzhandschuhe sind nützlich, um Sie vor den Gefahren verschiedener Experimente zu schützen.
- Um ein Laborgerät mit Handverfolgung zu verwenden, halten Sie Ihre offene Hand in Richtung des Geräts. Sobald das Gerät grün wird (ein Symbol, das anzeigt, dass es verwendet werden kann), ballen Sie Ihre Faust vollständig zusammen und öffnen Sie sie dann wieder, um das Gerät zu benutzen.
- Um ein Laborgerät mit Bedienelementen zu verwenden, legen Sie Ihre Hand gegenüber dem Gerät. Wenn das Gerät grün leuchtet (Symbol, dass es verwendet werden kann), drücken Sie die Aufnahmetaste und lassen Sie die Aufnahmetaste dann los, um es zu verwenden.
Hier sind nun einige Herausforderungen, um sich mit den Geräten dieses virtuellen Labors vertraut zu machen.
Vor jedem Experiment ist es wichtig, sich mit der entsprechenden Schutzausrüstung auszustatten.
- Ziehen Sie den Kittel an.
- Setzen Sie die Schutzbrille auf.
- Ziehen Sie die Nitrilhandschuhe an.
Die Waage
Einige Laborinstrumente können zum Sammeln und Transportieren fester oder flüssiger Substanzen verwendet werden.
Unter diesen Instrumenten erfordern einige, wie die Pinzette oder die Pipette, eine zusätzliche Aktion zu ihrer Bedienung.
Im Hand-Tracking-Modus, sobald das interaktive Objekt aufgenommen wurde, vereinigen Sie Daumen und Zeigefinger, um die Interaktion des Objekts zu aktivieren.
Drücken Sie mit den Controllern die Interaktionstaste, um das Objekt zu bedienen.
Einige Laborgeräte erfordern möglicherweise das Drücken von Knöpfen. Um einen Knopf zu drücken, drücken Sie ihn mit einem Finger.
- Stellen Sie das Wiegeschiffchen auf die Plattform der elektronischen Waage.
- Drücken Sie die Tara-Taste auf der Waage, um sie auf Null zu setzen.
- Geben Sie 5 ml Magnesiumpulver mit einem Spatel in das Wägeschiffchen. Die Spatel sind auf 5 ml, 2,5 ml, 1 ml und 0,12 ml kalibriert.
- Werfen Sie das Magnesiumpulver in den schwarzen Sammelbehälter.
Flüssigkeitsvolumen
Einige Laborgeräte wie Bechergläser, Erlenmeyerkolben, Reagenzgläser oder Messzylinder können verwendet werden, um eine Flüssigkeit, einen Feststoff oder sogar eine Lösung aufzunehmen.
Mehrere Produkte werden Ihnen von Beginn eines Labors an in Behältern zur Verfügung gestellt. Sie haben auch Zugang zum Waschbecken rechts von Ihnen, um Wasser zu holen.
- Dreh den Kaltwasserhahn auf.
- Füllen Sie einen 500-ml-Becher mit Wasser.
- Dreh den Kaltwasserhahn zu.
- Messen Sie mit dem Messzylinder 50 ml kaltes Wasser aus dem 500-ml-Becherglas ab. Achten Sie genau auf den Meniskus!
Der pH-Wert
Abhängig von den im Experiment zu mischenden Molekülen können Sie eine Reaktion erzeugen, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Lösung beeinflusst.
- Sammeln Sie 0,12 ml Natriumhydroxid (NaOH) Pulver mit dem orangen Spatel und geben Sie das Pulver in ein Reagenzglas.
- Füllen Sie mit der Spritzflasche einen 50-mL-Becher mit destilliertem Wasser.
- Entnehmen Sie mit der Pipette 10 ml Wasser aus dem Becherglas.
- Überführen Sie 5 ml des entnommenen Wassers in das Reagenzglas (jeder Druck ergibt 1 ml).
- Schließen Sie das Reagenzglas mit einem Gummistopfen.
- Inhalt des Reagenzglases schütteln, bis er sich vollständig gelöst hat.
- Entfernen Sie die Gummikappe.
- Ziehen Sie mit der Pipette die in der Reagenzglasflüssigkeit enthaltene Lösung auf.
- Überführen Sie den gesamten Inhalt der Pipette in ein Vertiefung der Tropfenplatte (die Pipette enthält etwa 20 Tropfen).
- Geben Sie einen Tropfen pH-Indikator mit einer anderen Pipette in dieselbe Vertiefung der Mikrotiterplatte.
- Beobachten Sie die erhaltene Farbe und vergleichen Sie sie mit der pH-Tabelle.
Ergebnisse
Ein Teil der Ergebnisse kann im Abschnitt "Ergebnisse" der Tablette analysiert werden. Dieser Abschnitt ist über das Hauptmenü erreichbar.
Um Ihre Ergebnisse zu senden, befindet sich die Schaltfläche „Ergebnisse senden“ im Optionsmenü des Hauptbildschirms.
- Beobachten Sie die erzielten Ergebnisse.
- Senden Sie die Ergebnisse.
Erwartete Ergebnisse
Dieses Tutorial demonstriert eher Fertigkeiten als das Testen einer Hypothese: Am Ende des Tutorials kann der Studierende Ausrüstung im virtuellen Labor bewegen und handhaben, sich für die Laborbank kleiden, eine Waage tarieren, einen Meniskus ablesen, eine Lösung herstellen und deren pH-Wert beurteilen sowie Ergebnisse einsenden. Die Aufgaben haben bestimmte erwartete Messwerte. Mg hat eine Dichte von 1,74 g/mL, daher sollte die 5-mL-Spatelportion, die in das tarierte Wägeschiffchen gegeben wird, 8,7 g anzeigen. Bei der pH-Aufgabe entsprechen 0,12 mL NaOH-Pulver 0,2556 g, was 0,0064 Mol sind; gelöst in 5 mL Wasser ergibt dies eine Konzentration von etwa 1,3 M, und der pH-Wert liegt bei etwa 14 – ganz oben auf der Indikatorskala, sodass sich die Vertiefung in der Tüpfelplatte purpur färben sollte. Ein stark basisches Ergebnis von einer kleinen Löffelspitze weißer Pulver ist zudem eine stille Lektion darüber, warum zuerst die Handschuhe und die Schutzbrille angezogen wurden.
Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen
9. bis 10. Klasse
Fokus: Gewandtheit in der Umgebung und korrekte Grundtechnik. Die Schüler absolvieren alle vier Herausforderungen mit Anleitung: Die persönliche Schutzausrüstung wird vor allem anderen angelegt, die Waage wird tariert, bevor das Pulver hineingegeben wird, der Meniskus wird auf Augenhöhe abgelesen, die Indikatorfarbe wird mit der Tabelle abgeglichen. Erfolg ist prozedural — jeder Schritt des Protokolls wird der Reihe nach ausgeführt und die Ergebnisse werden vom Tablet aus gesendet.
11. Klasse
Fokus: Die Messungen hinter den Gesten. Die Schüler erklären, was die Tara-Taste von dem Messwert abzieht und wie sich das mit dem Wiegen durch Differenzbildung vergleicht, rechnen zwischen dem Volumen, das ein kalibrierter Spatel liefert, und der damit verbundenen Masse um und verfolgen die pH-Herausforderung quantitativ bis hin zur Konzentration: 0,2556 g NaOH entsprechen 0,0064 Mol, und in 5 ml sind das etwa 1,3 M.
12. Klasse / College-Niveau
Schwerpunkt: die Chemie der finalen Herausforderung. Die Studierenden berechnen den pH-Wert — eine 1,3-M-Lösung einer starken Base hat einen pH-Wert von etwa 14 — und erklären, warum sich der Indikator am oberen Ende seiner Skala befindet, was ein Indikator eigentlich ist und warum sich der Messwert kaum verändern würde, wenn die Lösung doppelt so konzentriert wäre. Sie bewerten das Tutorium zudem kritisch als Instrument: welche Fähigkeiten vom echten Labortisch direkt aus der Simulation übertragen werden und welche (Geruch, Hitze, das Gewicht von Glasgeräten) sie bewusst auslässt.
Labor-Grundausstattung
Instrumente
- Bechergläser (50 mL, 500 mL)
- Wellplatte
- Tropfer
- Elektronische Waage
- Messzylinder (70 mL)
- Pipette
- Spatel (kalibriert: 5, 2,5, 1 und 0,12 ml)
- Reagenzglas
- pH-Wert-Tabelle
- Wägeschale
- Waschflasche
- Gummistopfen
- Kittel, Schutzbrille und Nitrilhandschuhe
- Papierkorb
Produkte
- Natriumhydroxid (s) Pulver
- Mg(s) Pulver
- Flüssiger pH-Indikator
- Leitungswasser und destilliertes Wasser