Molecular Workbench
Molecular Workbench (MW) ist eine Java-Software, die das Erstellen von visuellen, interaktiven Computer-Experimenten für das Lehren und Lernen der Naturwissenschaften ermöglicht. Es handelt sich dabei um ein Open-Source-Projekt, dass von dem Concorde-Consortium getragen wird, welches eine amerikanische Non-Profit-Organisation ist, die Open-Source-Bildungs-Technologien entwickelt und kostenlos für Schüler, Lehrer und Schulen anbietet.
Molecular Workbench ermöglicht nicht nur die Simulation von Vorgängen auf Teilchenbasis. Es beinhaltet auch ein Autorensystem für die Erstellung von interaktiven Lernumgebungen. Erst vor kurzem hat Google dem Projekt 2.5 Millionen Dollar gespendet, damit MW die Erstellung von HTML5-Simulationen ermöglicht. Erste Ergebnisse sind auf dieser Seite zu sehen, wo es Links zu Simulationen gibt, die auch auf Tablets und Handy darstellbar sein sollten.
Da Molecular Workbench aufgrund seiner Funktionsvielfalt nicht einfach zu bedienen ist, lohnt sich für einfache Teilchen-Siumulationen ein Blick auf das einfachere SimChemistry. Das kann aber nur einzelne, runde Teilchen darstellen!
Das folgende Video zeigt einige fertige Simulations-Dateien. Die Oberfläche, die am Anfang zu sehen ist, zeigt die Start-Seite in MW. Es werden einige Beispiele gezeigt, die nicht nur klassische Teilchensimulation sind, wie sie auch in SimChemistry darstellbar sind. Installieren Sie sich MW, um dich die große Menge an Simulationen selber anzuschauen und auszuprobieren.
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Download und Installation
Homepage mit Link zur Installation per Webstart. Es gibt auch eine Möglichkeit Molecular Workbench Offline zu installieren. Im gezippten Paket sind auch auch alle Demo-Dateien enthalten.
- Leider gibt es das Programm Molecular Workbench bisher nicht in Deutsch. Grund dafür ist, dass sich noch kein Freiwilliger für eine Übersetzung gemeldet hat. Beim Hauptentwickler Charles Xie kann man sich aber bei Interesse und ausreichend Zeit eine Datei mit den zu übersetzenden Ausdrücken zuschicken lassen.
Allgemeiner Aufbau
Nach dem Start erscheint MW zunächst einmal wie ein Browser mit den typischen Navigationsknöpfen. Mit dem Unterschied allerdings, dass eine Datei mit der Endung CML aufgegrufen wird. Dabei handelt es sich um einen Datei-Typ der Art "Chemical Markup Language". Mehr dazu siehe Formate von Chemie-Dateien.
Auf dieser Startseite wird auf schon vorhandenes Material verwiesen, dass nicht unbedingt übersichtlich und dann noch in Englisch präsentiert wird. Gute Englisch-Kenntnisse, speziell zu den chemischen Fachbegriffen, erleichtern die Orientierung sicherlich.
Jeder verlinkte Seite kann bearbeitet werden. Dazu muss man per Werkzeug-Icon in den Editier-Modus wechseln wodurch die Navigations- zu einer Werkzeug-Leiste wird. Dann hat man eine Art visueller HTML-Editor. Eine Seite kann neben Fließtext auch verschiedene Bereiche enthalten. Das können in sich geschlossene HTML-Boxen sein, Simulations-Container, virtuelle Messgeräte, Darstellung von Werten in Diagrammen, Bedienung-Elemente, die typischen JavaScript-Formular-Elemente, interaktive Fragen wie Multiple-Choice und Bilder-Fragen die mit Screenshots beantwortet werden können und natürlich auch verschiedene Medientypen (Bilder, Filme, andere Applets, usw.).
Im folgenden Video gibt es eine Einführung in das Programm "Molecular Workbench", in dem das generelle Konzept gezeigt wird.
Simulationsmöglichkeiten
Die Simulation geschieht in verschiedenen Simulations-Container, wobei teilweise schon vorhandene Open-Source-Software genutzt wird. So wird für die Darstellung von 3D-Molekül-Modellen Jmol verwendet.
Laut Homepage gibt es folgende Arten von Simulationscontainer:
- Kontiuumsmechanik(?) zum Beispiel Wärmeübertragung und Stromleitfähigkeit
- Klassische Mechanik
- Simulation von mittelgroße Teilchen, wie Moleküle
- Simulation auf atomarer Ebene (in 2D und 3D)
- Simulation auf subatomarer Ebene
Die Simulations-Container werden wie Bilder eingefügt, ihre Größe kann jederzeit nachträglich geändert werden. Innerhalb jedem Simulations-Container gibt es eine Menü- und Werkzeugleiste, die aber auch ausgeblendet werden können. Sind sie versteckt, lassen sie sich per Rechtsklick auf die Zeichnung wieder einblenden. Teilweise sind in der Werkzeug-Leiste wenige Werkzeug-Icons zu sehen, es lassen sich aber weitere anzeigen.
Zur Steuerung von Eigenschaften und Werten im Simulations-Container lassen sich Bedienelemente auf der MW-Seite einfügen und durch einen entsprechenden Eintrag mit dem Simulationsfenster verknüpfen. Für die Temperatur lässt sich teilweise auch innerhalb des Containers ein Schieberegler einfügen.
Dazu wird im Video als ein Beispiel gezeigt, wie man in Molecular Workbench die Aggregatzustände im Teilchenmodell simulieren kann:
Interaktivität
MW ist wesentlich mehr als nur eine Simulationssoftware. Es sind viele Möglichkeiten vorgesehen, den Schülern eine interaktive Lernumgebung zu bieten, die nicht nur einen Eingriff in die Simulation, über Schieberegler, Knöpfe, Schaltflächen oder Ähnliches ermöglichen. Gleichzeitig ist auch eine Kontrollmöglichkeit vorgesehen, wobei es selbstkontrollierende Fragen gibt, Multiple-Choice-Tests, aber auch freie Fragen, bei denen man Textantworten geben muss oder ein passendes Bild zur Simulation erstellen und auswählen muss. Solche offenen Fragen müssen von dem Lehrer kontrolliert werden.
Auch dafür bietet MW eine Hilfe, denn man kann sich als Lehrer und seine Schüler registrieren, eine Lernumgebung auf dem MW-Server aus laufen lassen, so dass die Antworten der Schüler dort gespeichert werden. Die Antworten und Lösungen der Schüler kann man sich dann als Lehrer anschauen, um zu sehen, ob sie sich mit dem Thema beschäftigt haben. Diese Idee ist an sich nicht schlecht, denn es hat genau die Qualitäten, die von Selbstlernmaterialien immer gefordert werden. Nur ist das vorhandene Material alles auf Englisch, d.h. ich müsste es übersetzen, und der Umgang mit der Kurs-Organsiations-Seite auf dem MW-Server ist nicht ganz so einfach, bedarf wieder Einarbeitungszeit und auch Zeit die Schüler anzumelden usw. Eine gut organisierte Auswertung wäre sicher kein Problem, allerdings habe ich keine Erfahrung damit.
Beispiel-Dateien
Nach dem Start des Programms hat man auf der Startseite einen Überblick mit einigen Beispielen sowie Links zu zwei Kategorien von fertigem Material.
- Eine Modell-Bibliothek die einzelne Zeichnungen zu verschiedenen Phänomenen enthält.
- Eine Sammlung von fertigen Lernumgebungen für Schüler, die meist mehrere Seiten und interaktive Elemente enthalten.
Wie man vorhandene Simulationen an die einen Bedürfnisse anpassen kann, wird hier an einem Beispiel gezegeigt:
Simulationsdateien auf dem Wiki
Einen Überblick über Simulationsdateien (meist als Zip-Paket) findet man in der Kategorien-Übersicht: Kategorie:MW-Dateien
Die entsprechenden Seiten mit Anleitungen dazu sind hier zu finden: Kategorie:MW-Arbeitsblatt
Beispiel-Wiki-Seite die für Schüler als Anleitung für die Durchführung eines Simulationsexperimentes gedacht ist:
