Arduino Workshop zum MINT-Tag

Vor einigen Tagen fand an dem Gymnasium Marianum in Meppen, an dem ich inzwischen arbeite, ein MINT-Tag statt. An diesem Tag gab es verschiedene Workshops aus den Fächern Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik (MINT), an denen einige Schüler teilnehmen konnten. Ich bot mit meinem Wahlpflichtkurs zum Arduino (Jg. 10) einen Workshop für Sechstklässler an, in dem die Kids erste Erfahrungen mit Sensoren am Arduino und der zugehörigen Programmierung machen sollten. Aus einer ersten vagen Idee, dafür fertige Bauteile zu bauen, damit kein Kurzschluss entsteht, der die Mikrocontroller zerstören könnte, wurde ein immer größeres Projekt – und im Ergebnis eine kleine Sammlung praktischer Bauteile mit passender Box und mehreren interessanten Workshops!

Nach einer kurzen Vorstellung der Programmierumgebung Scratch for Arduino (S4A) konnten die Kids schon schnell loslegen. Am MINT-Tag selbst wurden die Kids zudem durch die Zehntklässler betreut, sodass stets Rat zur Verfügung stand. Es zeigte sich aber schnell, dass das nur in seltenen Fällen notwendig war – einem Einsatz des Materials ohne zusätzliche Betreuer steht also nichts im Wege.

Der Workshop beginnt mit dem “Hello world” der Arduino-Welt: Eine LED zum Blinken bringen (blaue LED mit Vorwiderstand; im Bild rechts unten). Außerdem soll die LED auch gedimmt werden, um den Befehl für einen “analogen” Ausgang auszuprobieren. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Nutzung der Befehle von S4A sollen danach sofort angewandt werden, um eine Ampel zu bauen – dafür dient das Ampel-Modul (im Bild oben rechts). Station Nr. 3 stellt eine Erweiterung der Ampel zu einer Fußgängerampel dar, womit sich zu den digitalen Ausgängen der ersten beiden Stationen nun auch ein digitaler Eingang mit entsprechender “falls”-Abfrage im Programm gesellt. Abgefragt wird der Status eines Tasters (im Bild oben links), der grundsätzlich schon bekannt ist, in diesem Kontext aber ganz anders verwendet wird.

Es folgt ein letztes Verkehrsprojekt: Eine Dämmerungsschaltung für eine Straßenlampe, die erst angeht, wenn es dunkel wird. Dazu dient das schon vorher verwendete LED-Bauteil sowie der Spannungsteiler mit einem Fotowiderstand (LDR; im Bild unten mittig). Programmiertechnisch wird die “falls”-Bedingung hier zu einer “falls/sonst”-Fallunterscheidung erweitert. Das letzte, etwas komplexere Projekt ist ein LED-Thermometer, das über einen Spannungsteiler mit einem temperaturabhängigen Widerstand (NTC) und dem Ampel-Modul realisiert werden kann. Für den Fall, dass einige sehr schnell fertig werden sollten, wird ein freies Experimentieren vorgeschlagen. Denkbar ist zum Beispiel mithilfe der LED und dem LDR eine Lichtschranke zu bauen und über das Ampel-Modul anzuzeigen, ob diese unterbrochen ist (rot) oder alles in Ordnung ist (grün).

Insgesamt bieten die Stationen einen guten Überblick über die Möglichkeiten eines Mikrocontrollers (digitale/analoge Eingänge und Ausgänge) sowie über erste Programmierstrukturen. Die Stationen bauen aufeinander auf und sind durchweg an Anwendungen ausgerichtet. Zusätzliche Motivation bietet das experimentelle Vorgehen mit S4A sowie schnell sichtbare Erfolge. Nach Rückmeldung meiner Zehntklässler wurde ihre Betreuung am MINT-Tag kaum benötigt – durch die Möglichkeit des experimentellen Vorgehens in S4A kamen die Sechstklässler sogar recht schnell zu guten Ergebnissen! Ein paar Gruppen wurden innerhalb der Doppelstunde, die zur Verfügung stand, mit allen Stationen fertig und ließen ihrer Kreativität noch ein wenig freien Lauf.

Dem Alter und Wissen der Sechstklässler entsprechend gehen die Stationen allerdings auch kaum in die Tiefe. Hier ist sehr viel mehr möglich – und in höheren Jahrgangsstufen sollte das natürlich auch das Ziel sein. Die Bauteile ermöglichen es, den Themenbereich Mikrocontroller / interaktive Schaltungen auf einfache Art in einen Exkurs einzubinden (zum Beispiel im Anschluss an den Elektronik-Unterricht), denn die Schüler müssen nicht erst lernen, wie man mit einem Steckbrett umgeht und die Gefahr eines Kurzschlusses ist weitgehend gebannt. Natürlich ist auch mit den Bauteilen nicht vollkommen ausgeschlossen, dass irgendjemand auf die Idee kommt, ein Kabel direkt von 5V an GND anzuschließen…

Zur praktischen Handhabung und besseren Aufbewahrung habe ich zusätzlich zu den Bauteilgehäusen noch Boxen gedruckt, die passende Aussparungen für die Bauteile aufweisen. Außen um die Bauteile herum lassen sich die notwendigen sieben Kabel (male – female) legen. Die Halterungen an den oberen Ecken ermöglichen es, die Boxen praktisch zu stapeln. Ein Platz für den Arduino ist hier nicht vorgesehen, weil diese bei uns in anderen Kästen aufbewahrt werden (denen für den Wahlpflichtkurs).

Falls jemand Lust hat, die Bauteile und Stationen für seinen Unterricht zu nutzen, stelle ich hier alle Materialien zur Verfügung:

  • das Skript mit den Projekten für die Schüler
  • eine Musterlösung des Skripts
  • eine ausführliche Lösung zu den Projekten mit zusätzlichen Hintergrundinformationen, was mit höheren Jahrgangsstufen behandelt werden könnte
  • alle .stl Dateien für den 3D-Druck

Download: MINT-Tag_Arduino-Workshop.zip

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