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Helfer in Alltag und Arbeitswelt UV 9.2
Wie werden Computer mit Hilfe von Sensoren und Aktoren selbständig ?

Verantwortlich für den Inhalt: QUA-LiS
 

Unterrichtsvorhaben zur Anwendung von Sensoren und Aktoren bieten Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, den Einsatz von Informationstechnik in ihrer komplexen Umwelt wahrzunehmen und zu verstehen. Hier werden breite Grundlagen von technischer Informatik bis hin zur Automatentheorie entwickelt oder vertieft.

Dabei ist die Ausrichtung eines solchen Unterrichtsvorhabens in sehr weitgefassten Grenzen auf die Bedürfnisse der Lehrenden und Lernenden anpassbar. Von realtiv "fertigen" Entwicklungssystemen (LEGO, Fischer-Technik) bis hin zu reinen Microcontroller-Boards (Arduino, Raspberry PI) reicht das Angebot. Die Entscheidung für ein System hängt dabei von den Vorerfahrungen der Lehrenden, den finanziellen Möglichkeiten der Schule (bzw. bereits vorhandener Ausstattung) sowie den technischen Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler ab.

Daher werden im Folgenden unterschiedliche Möglichkeiten für den Zugang zu diesem Thema vorgestellt. Für Schulen mit kleinem Finanzbudget sind auch kostenfreie Angebote (Workshops) nordrhein-westfälischer Universitäten im Angebot.

Diese Materialien sind Bestandteil des Angebotes Lehrplannavigator der Qualitäts- und Unterstützungsagentur - Landesinstitut für Schule (QUA-LiS NRW)
8 Verweise auf Webseiten
Unterrichtsreihe mit dem Rapberry PI
Unterrichtsreihe zu einem Kurs am Immanuel-Kant-Gymnasium in Leinfelden-Echterdingen. Im Kurs wird allerdings mit einer speziellen Adapterplatine zum Raspberry PI gearbeitet, die in dieser Form nicht standardmässig im Handel erhältlich ist.
Unterrichten mit dem Raspberry PI
In dem Themenheft von ´medienistik.de´ aus dem Jahr 2013 wird sehr ausführlich eine Unterrichtsreihe mit dem Raspberry PI beschrieben. Der Lehrgang gliedert sich in die folgenden Kapitel <ul> <li>Wie funktioniert ein Computer?</li> <li>Der Raspberry Pi</li> <li>Programmieren mit Scratch</li> <li>Programmieren mit Python</li> <li>Programmieren mit Minecraft</li> <li>Eigenständiges Stationenlernen</li> </ul> Dazu werden reichhaltige Zusatzinformationen von der Computergeschichte bis hin zu Bezugsquellen für Zusatzhardware geboten. Das Unterrichtsvorhaben lässt sich auch in Teilen durchführen.
Materialsammlung der Universität Wuppertal zum Raspberry PI (Raspberry PI)
Die Materialsammlung der Universität Wuppertal richtet sich speziell an Lehrerinnen und Lehrer und ist für den unterrichtlichen Einsatz konzipiert. In dem grundlegenden Artikel (raspi_skriptum) erhält man Informationen zu Installation und Bedienung (Linux, Python) des Raspi. Es folgen Beispiele zu elektrischen Schaltungen incl. der zugehörigen Beispielprogrammen. Die Seite ist sehr umfangreich und wird ständig aktualisiert.
Sensoren - messen und experimentieren mit Arduino und Raspberry Pi (Arduino + Raspberry PI)
Die finnischen Autoren dieses Buches arbeiten in der Industrie bzw. an einer Universität und haben reichhaltige Erfahrungen in der Mess- und Regeltechnik. Trotzdem ist das Buch in einer leicht verständlichen Sprache geschrieben und bietet eine breiet Einführung in die Sensortechnik. Dabei lassen sich die Schaltungsvorschläge entweder mit dem Arduino oder Raspberry Pi umsetzen. Für beide Entwicklungsboards sind jeweils die Schaltungen nebst zugehörigen Programmbeispielen (Arduino-Sketches bzw. Pyzhon-Programme für Raspberry Pi) ausführlich beschrieben. Die Beispiele umfassen Messschaltungen für Entfernung, Rauch und Gas, Berührungen, Bewegung und viele weitere Aufgabenstellungen.
Roboter - Workshops für Schulen (LEGO)
Im Projekt go4IT! verfolgt die RWTH Aachen ein Konzept für die Informatikbildung, das speziell auf die Mädchenbildung ausgerichtet ist. Es ist als ein 2-stufiges Programm konzipiert.<br> Die erste Stufe ist der zweitägige go4IT!-Basis-Workshop für 12-14 Mädels, welcher direkt an der Schule vor Ort stattfindet. Das Konzept dieses Workshops basiert auf dem Projekt Mädchen machen Informatik der TU München sowie dem Roberta-Projekt® des Fraunhofer IAIS. Diese Workshops sind für die Jahrgangsstufen 6 bis 8 ausgelegt. In der Anfangsphase des Projektes lernen Mädchen der 6. – 8. Klasse die Konstruktion eines einfachen LEGO-Roboters sowie das Vorgehen, wie man ihm anschließend „beibringt“, was der Roboter tun soll. (LEGO)<br> Die zweite Stufe ist der dreitägige go4IT!-Aufbau-Workshop, welcher von besonders interessierten Mädels privat in den Oster- und Herbstferien besucht werden kann. (Arduino)
Informatik Enlightened - Schülerlabor der RWTH Aachen (Arduino)
Informatik Enlightened ist ein Modul der InfoSphere der RWTH Aachen. Dabei geht es um die verschiedenen Facetten von Licht. Licht erzeugt Energie, es überträgt Information. Im Workshop werden Themen wie <ul> <li>Wie kann unsichtbares Licht beim Einparken helfen?</li> <li>Kann man mit Licht Geschwindigkeiten messen?</li> <li>Wie überträgt man mit Licht Informationen?</li> <li>...</li> </ul> Der Workshop wird mit Arduino-Controllern durchgeführt. Alle Materialien können frei heruntergeladen und auch in einer Schule mit entsprechender Ausstattung durchgeführt werden.
Grün, gelb, rot - Aufbau, Modellierung und Programmierung einer Ampelanlage (Arduino)
Dieses Modul aus der InfoSphere der RWTH Aachen ermöglicht den Teilnehmern in kleinen Teams das Modell einer Ampelanlage selbst aufzubauen, anzuschließen und ihre Funktionen zu modellieren und schlussendlich zu programmieren.<br>Zuerst werden die verschiedene Kreuzungssituationen selbst aufgebaut und an den Mikrocontroller angeschlossen. Dazu stehen verschiedene Straßenkarten und Ampeln mit LEDs zur Verfügung. Wie im wirklichen Leben gibt es zusätzlich Sensoren, die beispielsweise messen, ob ein Fußgänger wartet oder ein Auto an der Ampel steht.<br>Die Schülerinnen und Schüler erlernen die Modellierung von Zuständen (die Fußgängerampel ist rot) und Übergängen (ein Fußgänger drückt einen Knopf und die Fußgängerampel wird grün). Dies geschieht anhand sogenannter Automaten, welche in der Informatik weit mehr können als bloß eine Cola-Dose auszuspucken. Die Ampelanlage wird mit einem Arduino-Mikrocontroller gesteuert und dieser kann von den Teilnehmerinnen und Teilnehmern frei programmiert werden.
My interactive Garden (Arduino)
Zwischen Jugendlichen, die von sich aus technikaffin sind und solchen, die eher technikferne Interessen entwickeln, gibt es große Barrieren. Das Projekt ´My Interactive Garden´ der Universität Potsdam ist darauf ausgerichtet solche Barrieren abzubauen. Dazu wurden Anwendungen mit Microcontroller-Entwicklungsboards entwickelt, die einen motivierenden und Kreativität fördernden Informatikunterricht begründen sollen. Der Name ´My Interactive Garden´ ist also insofern Programm, als ein Projekt sich z.B. mit Bewässerunssteuerung für Pflanzen beschäftigt.<br> Zu diesem Zweck können für die Programmierung des verwendeten Arduino-Entwicklungsboards unterschiedliche Software-Entwicklungsumgebungen genutzt werden: <ul> <li>Arduino-IDE</li> <li>S4A (Scratch for Arduino)</li> <li>Snap4Arduino</li> <li>Modkit</li> </ul> Dabei sind die drei letztgenannten Entwicklungsumgebungen in Scratch oder eine Scratch-ähnlichen Programmierumgebung eingebunden. Das kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Lernenden bereits vorher im Unterricht mit Scratch gearbeitet haben.
Dieser Materialeintrag ist in den folgenden Zusammenhängen auffindbar:
Anzahl aller Materialeinträge der jeweiligen Kateogie.

Jahrgangsstufe 1465 9-10 543
Lernort 290 Fachraum 81
Lernort 290 Computerraum 58
Positionierung im Unterricht 450 Einführung 189
Positionierung im Unterricht 450 Anwenden 204
Sozialform 290 Partnerarbeit 204
Methode 262 entdeckendes Lernen 62
Methode 262 Projektarbeit 78
Materialart 845 Konzept 221
Schulform 1569 Realschule 651
Schulform 1569 Gesamtschule 970
Methode 262 Kooperatives Lernen 62
Fächer / Lernbereiche 1789 Informatik 61