Virtuelle Laboraktivität erstellen: Schritt für Schritt

Aktualisiert am 2026-10-02

Eine gute virtuelle Laboraktivität sieht einem guten echten Praktikum sehr ähnlich. Es gibt eine Frage, die zu beantworten ist, Variablen, die kontrolliert werden, eine Tabelle mit Messwerten und eine Schlussfolgerung, die durch Belege gestützt wird. Anders ist nur die Ausrüstung: eine Simulation, die sich in einer Sekunde zurücksetzt, nie kaputtgeht und niemanden gefährden kann. Diese Anleitung führt Sie durch den Entwurf eines virtuellen Labors von Grund auf. Sie legen das Lernziel fest, wählen die Variablen, bauen die Datentabelle, prüfen Messwerte automatisch mit Zahlenfragen und schreiben Auswertungsfragen, die zum Nachdenken anregen. Am Ende steht ein vollständiges, sofort einsetzbares Labor zur Messung von g mit einem Pendel, einschließlich der Daten, die die Lernenden erhalten sollten.

Schritt 1: Mit einem messbaren Lernziel beginnen

Formulieren Sie das Ziel als etwas, das die Lernenden herausfinden, nicht als etwas, über das sie lernen. „Über Pendel lernen“ gibt Ihnen nichts, um das Sie planen könnten. „Den Wert von g finden, indem man misst, wie die Periodendauer eines Pendels von seiner Länge abhängt“ sagt Ihnen die Variablen, die Datentabelle, das Diagramm und die endgültige Antwort.

Ein nützlicher Test: Können Sie die Endzahl oder die Beziehung aufschreiben, die die Lernenden erreichen sollen? Wenn ja, ist das Ziel messbar. Beispiele:

„Zeige, dass die Stromstärke durch einen Widerstand proportional zur Spannung ist, und bestimme seinen Widerstand.“
„Finde die Zuckerkonzentration, die dem Zellsaft der Kartoffel entspricht.“
„Finde heraus, wie sich die Fotosyntheserate mit der Lichtintensität ändert und wo sie abflacht.“

Wählen Sie dann eine Simulation, die diese Daten wirklich liefern kann. Öffnen Sie sie, suchen Sie die Regler und führen Sie das Experiment einmal selbst durch, bevor Sie irgendetwas anderes schreiben. Viele Laborentwürfe scheitern, weil die Simulation etwas leicht anderes misst als das, was das Arbeitsblatt verlangt.

Schritt 2: Die Variablen bestimmen

Jedes Labor hat drei Arten von Variablen. Schreiben Sie sie zuerst für sich in eine Tabelle und entscheiden Sie dann, wie viel davon die Lernenden selbst erarbeiten sollen.

Variablentyp	Leitfrage	Beispiel Pendel
Unabhängig	Was ändern die Lernenden absichtlich?	Fadenlänge L
Abhängig	Was messen sie?	Zeit für 10 Schwingungen, dann die Periodendauer T
Kontrolliert	Was muss für einen fairen Versuch gleich bleiben?	Amplitude, Anzahl der gemessenen Schwingungen, g

In einem virtuellen Labor lassen sich kontrollierte Variablen leicht konstant halten. Das ist eine Stärke, kann aber den Gedanken der Kontrolle vor den Lernenden verbergen. Machen Sie ihn sichtbar: Bitten Sie die Lernenden, die kontrollierten Variablen aufzulisten und zu sagen, was geschehen würde, wenn eine davon sich änderte. Noch besser: Lassen Sie sie die Regel einmal absichtlich brechen. Im Pendelversuch ergibt eine Amplitude von 40° einen systematischen Fehler, den sie sehen können.

Für jüngere Lernende, oder wenn Sie Variablen zum ersten Mal unterrichten, nutzen Sie vorher die Simulation zum fairen Versuch. Sie warnt die Lernenden, wenn sie zwei Faktoren gleichzeitig ändern, und lässt sie das Benennen von unabhängigen, abhängigen und kontrollierten Variablen üben.

Fairer Versuch – Experiment planen und Variablen kontrollieren

Schritt 3: Die Datentabelle entwerfen

Geben Sie den Lernenden die Struktur der Tabelle, lassen Sie aber die Zahlen leer. Eine gut entworfene Tabelle lehrt von selbst Methodik.

Setzen Sie Einheiten in die Kopfzeilen, nicht in die Zellen: „L (m)“, „t für 10 Schwingungen (s)“.
Planen Sie Wiederholungen. Drei Versuche pro Wert, dann ein Mittelwert, ist die Gewohnheit, die Sie aufbauen wollen. Simulationen mit eingebauter zufälliger Streuung, wie die Reaktionszeit im Pendelversuch, machen Wiederholungen sinnvoll.
Fügen Sie berechnete Spalten hinzu für alles, was die Lernenden ausrechnen müssen (T = t/10, T²). So sehen sie den Weg von den Rohdaten zum Diagramm.
Wählen Sie 5–6 Werte der unabhängigen Variablen, verteilt über den gesamten Bereich. Eng beieinanderliegende Werte ergeben ein schlechtes Diagramm.

Möchten Sie, dass die Lernenden zuerst das Zeichnen von Hand üben, bringt die Simulation zum Zeichnen von Diagrammen mit fertigen Datensätzen Maßstäbe, Ausgleichsgeraden und Ausreißer bei.

Schritt 4: Messwerte mit Zahlenfragen prüfen

Hier schlägt ein virtuelles Labor ein Arbeitsblatt auf Papier. Öffnen Sie auf der Seite „Teilen“ der Simulation den Tab „Fragen“ und erstellen Sie ein Fragenset für den Link, den Sie den Lernenden geben. Eine Zahlenfrage wird automatisch mit Ihrer Antwort geprüft, mit einer Toleranz und einer optionalen Einheit. Zum Beispiel: „Die Periodendauer des 1,00 m langen Pendels beträgt 2,01 s ± 0,04“.

So legen Sie die Toleranz fest:

Führen Sie das Experiment selbst mehrmals durch und notieren Sie die Streuung der Ergebnisse.
Wählen Sie die Toleranz so, dass sie ehrliche Messungen abdeckt, meist das 2- bis 3-Fache der Streuung, die Sie gesehen haben. Zu eng, und sorgfältige Lernende werden falsch bewertet. Zu weit, und die Prüfung bedeutet nichts.
Wählen Sie bei berechneten Werten eine etwas größere Toleranz als bei direkten Messwerten, weil sich Fehler über jeden Rechenschritt aufsummieren.
Legen Sie immer die Einheit fest, damit die Lernenden üben, sie hinzuschreiben.

Sie können eine Erklärung hinzufügen, die erscheint, nachdem eine Person geantwortet hat (zum Beispiel den richtigen Lösungsweg), und bis zu zwei zusätzliche Versuche erlauben. Zusätzliche Versuche sind in einem Labor nützlich: Wer weit danebenliegt, kann zurückgehen, neu messen und es noch einmal versuchen, und genau dieses Verhalten wollen Sie.

Ein Fragenset enthält bis zu fünf Fragen, setzen Sie sie also sorgfältig ein. Nutzen Sie zwei oder drei Zahlenfragen für wichtige Messungen und Ergebnisse und eine oder zwei Kurzantworten für die Auswertung. Jede Antwort sehen Sie in der Ergebnistabelle des Links, und Sie können sie als CSV exportieren. Der kostenlose Tarif enthält 100 Schülerantworten pro Monat; Pro hebt die Grenze auf (siehe Preise).

Einen tieferen Einblick in das Schreiben von Fragen finden Sie unter Simulationen zu Quizfragen hinzufügen.

Schritt 5: Auswertungsfragen schreiben, die die Daten brauchen

Auswertungsfragen sollten ohne die eigenen Ergebnisse der Lernenden nicht zu beantworten sein. Vermeiden Sie Fragen, die die Lernenden aus einem Lehrbuch beantworten können. Starke Auswertungsfragen bitten die Lernenden:

das Muster mit Zahlen zu beschreiben: „Wenn L von 0,40 m auf 1,60 m steigt, um welchen Faktor ändert sich T?“;
die Methode zu erklären: „Warum messen wir 10 Schwingungen statt einer?“;
Fehler zu bewerten: „Welches Ihrer Ergebnisse ist am wenigsten zuverlässig, und warum?“;
zu erweitern: „Sage die Periodendauer eines 2,0 m langen Pendels voraus und teste dann deine Vorhersage.“

Schließen Sie mit einer Schlussfolgerung, die das Ziel aus Schritt 1 in ein bis zwei Sätzen beantwortet, mit einer Zahl.

Virtuelle und reale Labore: Sicherheit und was sich ändert

Der offensichtliche Vorteil eines virtuellen Labors ist die Sicherheit. Die Lernenden können gefährliche Chemie wie das Verdünnen konzentrierter Schwefelsäure, elektrische Fehler oder radioaktiven Zerfall völlig ohne Risiko erkunden. Fehler kosten nichts, sodass die Lernenden die „falsche“ Einstellung ausprobieren und sehen können, warum sie falsch ist.

Weitere Vorteile sind praktisch: keine Aufbauzeit, keine kaputte Ausrüstung, kein gemeinsames Material, und dasselbe Experiment für jede Person, in der Schule oder zu Hause.

Seien Sie ehrlich darüber, was den Lernenden fehlt:

Handhabungsfertigkeiten. Von einem Bildschirm aus lernen die Lernenden nicht, eine Stoppuhr, eine Bürette oder eine Waage zu bedienen.
Echte Unordnung. Echte Daten haben eigenartige Fehlerquellen: einen Faden, der sich dehnt, einen Luftzug im Raum. Ein Modell hat nur die Fehler, die jemand hineingebaut hat.
Fehlersuche. Wenn ein echtes Experiment scheitert, müssen die Lernenden herausfinden, warum. Diese Fertigkeit lässt sich schwer simulieren.

Der stärkste Ansatz ist oft eine Kombination. Führen Sie das virtuelle Labor als Vorbereitung durch, damit die Lernenden am echten Experimentiertisch wissen, was zu messen ist und wie das Diagramm aussehen sollte. Oder führen Sie es nach dem echten Labor durch, um Werte zu testen, die die Schulausrüstung nicht erreicht. Ist gar keine echte Ausrüstung verfügbar, ist ein gut entworfenes virtuelles Labor weit besser, als über das Experiment zu lesen.

Vollständiges Beispiel: g mit einem Fadenpendel messen

Dieses Labor eignet sich für 14–18 Jahre und dauert etwa 45–50 Minuten. Es nutzt die Simulation zur Bestimmung von g mit dem Fadenpendel. Die Lernenden messen Schwingungen mit einer Stoppuhr, entweder von Hand oder mit einem simulierten „Automatischen Messer“, dessen Reaktionszeit zufällig streut. Die Simulation trägt T² gegen L auf und legt die Ausgleichsgerade an.

g mit dem Fadenpendel bestimmen

Vorbereitung für die Lehrkraft

Erstellen Sie auf der Seite „Teilen“ einen Klassenlink und legen Sie diese Startwerte fest (es sind auch die Standardwerte):

Fadenlänge: 1,00 m
Schwingungen pro Messung: 10
Streuung der Reaktionszeit (σ): 0,15 s
Winkelamplitude: 10°
Wahre Fallbeschleunigung: 9,81 m/s²

Die Simulation selbst zeigt das wahre g nie, aber bei einem gewöhnlichen Link listet das Feld „Startwerte“ unter der Simulation es auf, und die Lernenden könnten es dort ändern. Um es geheim zu halten, schalten Sie für den Link gesperrte Parameter ein (eine Pro-Option): Die Simulation läuft dann immer mit Ihren festgelegten Werten und zeigt kein Feld „Startwerte“. Ohne Pro behalten Sie 9,81 m/s² bei und bitten die Lernenden einfach, das Feld nicht zu öffnen; das Labor funktioniert trotzdem, denn sie müssen g selbst messen, um es zu prüfen.

Für eine Vertiefungsklasse mit gesperrten Parametern legen Sie an einem zweiten Link ein anderes wahres g fest, zum Beispiel 3,71 m/s² für den Mars, und machen aus dem Labor „Erkenne den Planeten“.

Arbeitsblatt für Schüler

Ziel: Finde die Fallbeschleunigung g, indem du misst, wie die Periodendauer eines Pendels von seiner Länge abhängt.

Hintergrund: Für kleine Ausschläge gilt T = 2π√(L/g). Quadriert man beide Seiten, erhält man T² = (4π²/g)·L, also ist ein Diagramm von T² gegen L eine Gerade durch den Ursprung mit der Steigung k = 4π²/g. Das bedeutet g = 4π²/k.

Durchführung:

Stelle die Länge L auf 0,40 m. Lasse die Amplitude bei 10° und die Messung bei 10 Schwingungen.
Miss 10 Schwingungen einmal von Hand: Drücke Stoppuhr starten, wenn die Kugel die Markierung nach rechts passiert, zähle die Durchgänge und drücke Stoppuhr anhalten nach 10 Schwingungen.
Nutze den Automatischen Messer für zwei weitere Versuche bei derselben Länge.
Wiederhole das für L = 0,60, 0,80, 1,00 und 1,20 m.
Trage jeden Versuch in deine Tabelle ein und berechne T und T².
Lies die Steigung und g von der Ausgleichsgeraden in der Simulation ab.

Datentabelle:

L (m)	t₁ (s)	t₂ (s)	t₃ (s)	Mittelwert t (s)	T = t/10 (s)	T² (s²)
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20

Erwartete Ergebnisse (Lehrerexemplar)

Diese Werte stammen aus der Formel für die Periodendauer in der Simulation bei einer Amplitude von 10° mit g = 9,81 m/s². Die Werte der Lernenden streuen wegen der zufälligen Reaktionszeit um diese Zahlen: Mit σ = 0,15 s schwankt eine einzelne Messung von 10 Schwingungen typischerweise um etwa ±0,2 s, sodass T um etwa ±0,02 s schwankt.

L (m)	t für 10 Schwingungen (s)	T (s)	T² (s²)
0,40	12,71	1,271	1,62
0,60	15,57	1,557	2,42
0,80	17,98	1,798	3,23
1,00	20,10	2,010	4,04
1,20	22,02	2,202	4,85

Die Steigung beträgt etwa 4,04 s²/m, was g = 4π²/4,04 ≈ 9,77 m/s² ergibt. Das ist etwa 0,4 % unter den wahren 9,81 m/s². Die kleine Abweichung ist echt, kein Fehler der Lernenden: Ein Ausschlag von 10° macht die Periodendauer etwa 0,2 % länger, als die Formel für kleine Winkel vorhersagt. Das ist ein guter Gesprächsanlass zum systematischen Fehler.

Bei einer Amplitude von 40° steigt die Periodendauer des 1,00 m langen Pendels auf etwa 2,07 s, und eine Berechnung mit einer einzelnen Länge ergibt g ≈ 9,2 m/s², etwa 6 % zu niedrig.

Fragenset für den Link

Zahl: Wie groß ist die Periodendauer T des 1,00 m langen Pendels? Antwort 2,01 s, Toleranz ± 0,04 s. Erklärung, die nach der Antwort angezeigt wird: „T = t/10. Mit 20,1 s für 10 Schwingungen ist T = 2,01 s.“
Zahl: Wie groß ist die Steigung deines Diagramms von T² gegen L? Antwort 4,04 s²/m, Toleranz ± 0,15 s²/m.
Zahl: Welchen Wert von g hast du gefunden? Antwort 9,8 m/s², Toleranz ± 0,3 m/s². Zwei zusätzliche Versuche erlauben.
Multiple Choice: Warum messen wir 10 Schwingungen und teilen durch 10?
- 1. Das Pendel wird nach einigen Schwingungen schneller
- 1. Der Reaktionszeitfehler ist bei 1 oder 10 Schwingungen gleich groß, daher wird er durch das Teilen durch 10 zehnmal kleiner ✔
- 1. Es ergibt einen genaueren Wert von L
- 1. Zehn Schwingungen sind nötig, damit sich das Pendel einpendelt
Kurzantwort: Stelle die Amplitude auf 40° und miss das 1,00 m lange Pendel noch einmal. Ist das g, das du berechnest, größer oder kleiner als vorher? Erkläre, warum. Musterantwort: kleiner. Ein großer Ausschlag macht die Periodendauer länger als 2π√(L/g), daher ergibt die Division durch ein größeres T² ein kleineres g. Das ist ein systematischer Fehler, und Wiederholen der Messung beseitigt ihn nicht.

Vertiefungsfragen (auf Papier oder zur Diskussion)

Ändern Sie Schwingungen pro Messung auf 1 und wiederholen Sie eine Länge fünfmal. Wie vergleicht sich die Streuung von T mit der Messung von 10 Schwingungen?
Erhöhen Sie die Streuung der Reaktionszeit auf 0,30 s. Was geschieht mit der Unsicherheit von g, die die Ausgleichsgerade angibt?
Welche Periodendauer hat ein 1,00 m langes Pendel am Mars-Link? (Etwa 3,27 s bei einer Amplitude von 10°.)

Das Muster wiederverwenden

Die fünf Entwurfsschritte (Ziel, Variablen, Tabelle, Zahlenprüfungen, Auswertung) funktionieren für jede messbare Beziehung. Setzen Sie das Ohmsche Gesetz ein (R aus dem I-U-Diagramm bestimmen), Kartoffelstäbchen (die Konzentration des Zellsafts bestimmen) oder Fotosynthese-Bläschen (herausfinden, wo Licht nicht mehr begrenzend ist) und behalten Sie dieselbe Struktur bei.

Wie Sie ein virtuelles Labor in eine ganze Stunde einbetten, zeigt der 5E-Unterrichtsentwurf mit interaktiven Simulationen. Das Labor passt natürlich in die Phasen Explore und Elaborate. Wie Sie das Labor mit einer Vorhersage eröffnen, lesen Sie unter Predict–Observe–Explain mit Simulationen. Einen breiteren Blick auf den Unterricht mit Simulationen finden Sie ab Interaktive Simulationen im Unterricht einsetzen.

Häufige Fragen

Wie wähle ich die Toleranz für eine Zahlenfrage?

Führen Sie das Experiment selbst mehrmals durch und legen Sie die Toleranz auf etwa das 2- bis 3-Fache der Streuung fest, die Sie sehen. Wählen Sie für berechnete Ergebnisse wie g eine etwas größere Toleranz als für direkte Messwerte wie T.

Brauchen Lernende Konten, um Laborantworten abzugeben?

Nein. Die Lernenden öffnen den Link, geben einen Spitznamen ein und antworten unter der Simulation. Bitten Sie nur um einen Spitznamen oder Vornamen. Die Antworten sehen Sie in der Ergebnistabelle, und Sie können sie als CSV exportieren.

Kann ein virtuelles Labor ein vorgeschriebenes Praktikum ersetzen?

Prüfen Sie zuerst die Regeln Ihrer Prüfungsstelle. In den meisten Kursen funktioniert ein virtuelles Labor am besten als Vorbereitung oder Nachbereitung des echten Praktikums. Als Ersatz taugt es nur, wenn das echte Experiment unsicher, zu teuer oder nicht möglich ist.

Wie viele Fragen kann ich an ein Labor anhängen?

Bis zu fünf pro Fragenset, plus Anleitung für die Lernenden. Brauchen Sie mehr, legen Sie zusätzliche Auswertungsfragen auf ein Arbeitsblatt auf Papier oder im LMS neben die Simulation.