Einstiegsmodelle

zum Kennenlernen der Bauteile und der Programmierung

Klassenstufe
5-7
Zeitaufwand
Je 1 Stunde / ggf. mit Differenzierungsgruppen
Schwierigkeitsgrad
Modell: leicht, Programmierung: leicht
Modelle
Schaltung mit LED und Taster, Schaltung mit LED und Gestensensor, Motor mit Rotationsbewegung, Motor mit vertikaler Bewegung
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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

In acht einfachen Grundaufgaben sollen die Schülerinnen und Schüler (SuS) an das Arbeiten mit der Experimentierbox STEM Coding Max herangeführt werden. Zunächst werden der Aufbau des RX Controllers sowie die Controllerkonfiguration und der Aufbau der Programmieroberfläche übersichtlich beschrieben. Beispielhaft werden einfache Schaltvorgänge mittels eines Sensors ausgelöst. Dadurch wird eine Information innerhalb eines selbst erstellten Programms im Steuerungssystem verarbeitet und ggf. ein Aktor geschaltet oder eine Funktion erfüllt.

Leitfragen

  • Welche Funktion kann ein Schalter erfüllen? (Kommunikation)
  • Welche Arten von Schaltern gibt es? (Kommunikation)
  • Wo wird im Alltag eine Funktion ferngeschaltet oder ein Schaltvorgang ausgelöst? (Kommunikation)
  • Welche Sensoren können Aktionen auslösen? (Kreativität)
  • Welche Funktionen müssen eine Wiederholungs- und eine Zeitschleife erfüllen? (Kommunikation)
  • Welche Aktoren können durch einen Schaltvorgang ausgelöst werden? (Kreativität)
    ​

Fächerbezug
​

Informatik
Grundlagen der Programmierung
Physik
Sensorik, Aktorik
Technik
Getriebelehre, Grundlagen des elektrischen Stromkreises

Unterrichtsverlauf
​

Einführungsphase

Unterrichtsgespräch (ohne App)

  • Im Unterrichtsgespräch klären, welche Grundschaltungen auftreten können (Anschluss von Sensoren, Aktoren, Wiederholungsschleifen, Zeitschleifen, Wenn-dann-Funktionen …). 
  • Besprechen, was aus- bzw. eingeschaltet werden kann (Alltagsbeispiele).
  • Mögliche Sensorarten benennen: Sensoren für Helligkeit, Bewegung, Einschalten, Ausschalten, Umschalten …
  • Mögliche Programmierschleifen benennen: Einschaltverzögerung, Ausschaltverzögerung, Zeit, Wiederholung … 
  • Mögliche Funktionen von Aktoren benennen: drehen, heben, beleuchten, schalten … 

ggf. Hilfestellung

  • Sensoren, Aktoren und Bauteile aus dem Baukasten zeigen, wenn nötig Präsentationsmedien einsetzen.

Planungsphase

Unterrichtsgespräch

  • Der Grundlegende Aufbau der App und ihre Funktionen, z.B. Hilfebuttons, die Funktion der Grundschaltungen, Differenzierungsmöglichkeiten ... werden aufgezeichnet und erklärt.
  • Der Verlauf der Arbeitsschritte in der App bei der Bearbeitung eines Projektes wird aufgezeigt.

Unterrichtsgespräch

Vorbereitung der Arbeitsphase:

  • Die Grundfunktion eines Schalters (z. B. geschlossener oder geöffneter Stromkreis), einer LED (z. B. Funktionsprinzip), eines Motors (z. B. Funktionsprinzip) und deren mögliche Anschlussvarianten werden besprochen.
  • Das Auslösen des Schaltvorgangs und die gewünschte Änderung der Funktion eines Aktors in einem Programm werden besprochen.
  • Das Auslösen eines Aktors und dessen mögliche Anschlussvarianten nach dem Schaltvorgang werden besprochen. 

Unterrichtsgespräch

  • Die Arbeitsverteilung der Stunde wird vorgegeben. Zur Einführung werden die folgenden acht Grundaufgaben (Schaltungen; Schwierigkeitsgrad zunehmend) realisiert:

  a) Eine LED schaltet bei Programmstart an.
b) Ein Taster schaltet per Tasterdruck eine LED an bzw. wieder aus.
c) Ein Taster schaltet zeitverzögert eine LED an bzw. diese aus.
d) Ein Taster schaltet das Blinken einer LED.
e) Mittels Handbewegung wird eine LED ein- bzw. ausgeschaltet.
f) Eine LED wird bei abnehmender Helligkeit automatisch angeschaltet.
g) Ein Motor führt eine Rotationsbewegung aus.
h) Ein Getriebemotor führt eine Hubbewegung aus.

Partner- oder Einzelarbeit

  • Die SuS machen sich mit der App bekannt und laden die entsprechende Aufgabe.
Konstruktionsphase

Partner- oder Einzelarbeit

  • Die SuS nutzen die App zum Bau der Aufgaben. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
  • Die Schaltungen werden verdrahtet. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
Programmierphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Die SuS schreiben das Programm für die Aufgaben. Die App führt kleinschrittig durchs Programm; Hilfe wird in der App angeboten.
  • Das Programm wird nach jedem Programmierschritt auf den RX Controller übertragen.
Experimentier- und Testphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Die Schaltungen werden in Betrieb genommen und getestet. 
  • Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und eliminiert werden. Hilfe wird in der App angeboten.
  • Eventuelle Optimierungen bei der Hardware (z. B. lockere Verkabelungen) und der Programmierung der Ausgabe des Sensorbefehls (z. B. Zeitverzögerung) werden vorgenommen.
 
Abschlussphase

Vorstellung

  • Vorgehensweise 1: Vorstellung der Schaltungen durch eine ausgewählte SuS-Gruppe.
  • Vorgehensweise 2: Vorstellung der Schaltungen durch jeweilige SuS-Gruppe.

Diskussion im Plenum

  • Besprechung der weiteren Vorgehensweise in den folgenden Unterrichtsstunden.
  • Optional: Zeigen eines geplanten Projektes zu Motivationszwecken.

 

Informationen und Hinweise
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Methodisch-didaktische Hinweise
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Differenzierungsmöglichkeiten

Je nach Vorwissen der jeweiligen Gruppen können diese in ihrer eigenen Geschwindigkeit selbstständig die acht Einführungsaufgaben nacheinander bearbeiten.

Für besonders schnelle Gruppen können Differenzierungsaufgaben gestellt werden.

Beispiele:

  • Einbau einer zweiten LED anderer Farbe, die dann im Wechsel mit der ersten LED blinkt.
  • Programmieraufgabe, bei der eine LED bei Rechtslauf des Motors, die andere bei Linkslauf leuchten soll.

Motivationale Aspekte

Das Bauen der Grundschaltungen, die über einen „Minicomputer“ selber programmiert werden können, wirkt auf viele SuS motivierend. Es ist darauf zu achten, dass Ängste vor dem System oder der ggf. unbekannten Arbeitsweise abgebaut werden bzw. gar nicht erst entstehen. Auch das eigenständige Arbeiten mittels Unterstützung durch eine App erfreut sich zunehmender Beliebtheit. Arbeitsrhythmus und Geschwindigkeit können von den Gruppen selbst bestimmt werden. Zusätzlich motivierend wirkt sich aus, dass im weiteren Verlauf komplexere Bauaufgaben mit Alltagsbezug realisiert werden können. 

Zusatzmaterialien

  • Für die Einführung in das Thema ggf. Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche) einsetzen.

Bauanleitung Einstiegsmodell 1

Stromlaufplan Einstiegsmodell 1

Bauanleitung Einstiegsmodell 2

Stromlaufplan Einstiegsmodell 2

Bauanleitung Einstiegsmodell 3

Stromlaufplan Einstiegsmodell 3

Bauanleitung Einstiegsmodell 4

Stromlaufplan Einstiegsmodell 4

Python Programmier-referenz

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen
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Funktion der Sensoren/Aktoren

Technische Lösung

a.) Eine LED an- und ausschalten.

Anzeigen eines Signals mit einer LED

b.) Eine LED per Taster an- und ausschalten.

Auswerten eines Tastersignals und Ansteuern einer LED

c.) Eine LED zeitverzögert per Taster an- und ausschalten.

Auswerten eines Tastersignals und Ansteuern einer LED nach einer Zeitverzögerung per Zeitschleife

d.) Eine LED nach Tastendruck blinken lassen.

Auswerten des Signals eines Gestensensors und Ansteuern einer LED

e.) Eine LED über eine Handbewegung an- und ausschalten.

Auswerten des Signals eines Gestensensors und Ansteuern einer LED

f.) Eine LED bei Dunkelheit automatisch an- und ausschalten.

Auswerten des Signals eines Helligkeitssensors und Ansteuern einer LED

g.) Einen Motor rechts und links drehen lassen.

Auswerten eines Tastersignals und Ansteuern eines Motors

h.) Einen Motor etwas anheben und absenken lassen.

Auswerten eines Tastersignals und Ansteuern eines Motors mit eigenständigem Rücklauf

 


Materialliste
​

Einstiegsmodell 1 (Schaltung mit LED und Taster) - Grundaufgaben a) bis d)

Sensoren

Funktion

1 Taster

 Auslösen des Schaltsignals

Aktoren

Funktion

1 LED, weiß

 Beleuchtung

 

Einstiegsmodell 2 (Schaltung mit LED und Gestensensor) - Grundaufgaben e) bis f)

Sensoren

Funktion

1 RGB Gestensensor

 Auslösen des Schaltsignals

Aktoren

Funktion

1 LED, weiß

 Beleuchtung

 

Einstiegsmodell 3 (Motor mit Rotationsbewegung) - Grundaufgabe g)

Sensoren

Funktion

1 Taster

 Auslösen des Schaltsignals

Aktoren

Funktion

1 Motor

 Drehbewegung

 

Einstiegsmodell 4 (Motor mit vertikaler Bewegung) - Grundaufgabe h)

Sensoren

Funktion

1 Taster

 Auslösen des Schaltsignals

Aktoren

Funktion

1 Motor

 Linearbewegung

 

Differenzierung

Sensoren

Funktion

1 Taster

 Auslösen des Schaltsignals

Aktoren

Funktion

1 Motor
1 LED rot
1 LED grün

 Linearbewegung
Beleuchtung
Beleuchtung

 


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