Modell 4: Wegmesser

Vom Messen und Vermessen


Klassenstufe
5-7
Zeitaufwand
2-4 Doppelstunden
Schwierigkeitsgrad
Modell: mittel, Programmierung: mittel bis schwer
Modellart
mobiles Gerät für die Entfernungsmessung für nahe und ferne Ziele
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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren einen tragbaren Entfernungsmesser. Das Gerät soll für kleine und mittlere Distanzen nutzbar sein. Über drei farbige Leuchtdioden wird die gemessene Strecke des Geräts in Form farbiger Impulse (Einer, Zehner und Hunderter)  angezeigt. Die Angaben können nach dem Zählvorgang über einen weiteren Taster erneut angezeigt werden. Die angezeigten Werte werden vom Nutzer zu einer Gesamtentfernung addiert. Das Gerät resettet sich bei einem neuen Messvorgang von selbst. Durch eine einfache Umkonstruktion oder Umprogrammierung können auch kürzere oder längere Strecken erfasst werden. Als anspruchsvolle Differenzierungsaufgabe können die SuS das Einlesen, die Zwischenspeicherung sowie die durch einen Tasterdruck ausgelöste Wiederanzeige der Messergebnisse bearbeiten.

ALLTAGSBEZUG

Das Erfassen und Ausgeben von Wegstrecken ist für die SuS kein unbekanntes Thema, ebenso das Zählen über einen Impulsgeber (dieser ist in der Regel vom Fahrradtacho bekannt). Selbst beim Spielzeug von Kleinkindern kann der Effekt des Impulsgebers (z. B. bei einer Wackelente) beobachtet werden.

Das Thema bietet eine gute Grundlage für vorberufliche Orientierung im Bereich Coding. Dieses ist in vielen modernen (technischen) Berufen zunehmend wichtig.

Leitfragen

  • Wo werden Entfernungsmesser im Alltag eingesetzt? (Kommunikation)
  • Wie bzw. mit welchen einfachen technischen Mitteln lässt sich eine Strecke erfassen? (Kommunikation)
  • Welche Probleme können im Einsatz auftreten? (kritisches Denken)
  • Wie muss der Wegmesser in Bezug auf das Gehäuse und die zugehörige Programmierung (Abstand zur Messeinrichtung) aufgebaut sein, um exakte Messpunkte zu erfassen? (Kreativität und Kollaboration)

Fächerbezug
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Informatik
Grundlagen der Programmierung, Zeitschleifen
Mathematik
Umrechnungsfaktoren, Umrechnung von Zahlen verschiedener Zahlensysteme
Technik
Konstruktionstechnik, Getriebelehre
Physik
Strecke, Entfernungen

Unterrichtsverlauf
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Einführungsphase

Unterrichtsgespräch (ohne App)

  •  Szenarien abfragen, in denen eine Entfernungsmessung benötigt wird.
  • Die Präzision von Entfernungsmessungen erarbeiten (1 m, 10 m, 100 m)
  • Verschiedene mögliche Sensoren erarbeiten, mit welchen Entfernungen erfasst werden können (z. B. in Alltagsgeräten).
  • Vorstellung der Aufgabe.
  • Das Übersetzungsverhältnis erarbeiten, welches bei dem mitgelieferten Laufrad benötigt wird. Hierzu wird der Abrollumfang des Laufrads aufgezeichnet und die Impulsfrequenz des Taktgebers erläutert.

ggf. Hilfestellung

  • Sensoren, Aktoren und Bauteile (Laufrad zum Umfangmessen) aus dem Baukasten zeigen, wenn nötig Präsentationsmedien einsetzen

Planungsphase

Unterrichtsgespräch

  • Die Lehrkraft gibt den Ablauf mittels der Arbeitsschritte in der App vor.

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

  • SuS machen sich mit der App bekannt und laden die entprechende Aufgabe.
  • Die SuS bearbeiten eine Aufgabe zum Aufbau der Anlage sowie zur Berechnung des Streckenzählers.

Optionale Partner- oder Gruppenarbeit (ohne App)

  • Die SuS skizziereneine mögliche Anlage
  • Die SuS diskutieren die Ergebnisse und einigen sich auf ein Design.
Konstruktionsphase

Partner- oder Einzelarbeit

  • Die SuS nutzen die App zum Bau des Entfernungsmessers. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
Programmierphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Die SuS schreiben das Programm für den Entfernungsmesser. Die App führt hier kleinschrittig durchs Programm
  • Hilfe wird in der App angeboten
  • Das Programm wird auf den RX Controller übertragen
Experimentier- und Testphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Der Entfernungsmesser wird in Betrieb genommen
  • Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und behoben werden. Hilfe wird in der App angeboten.
  • Eventuelle Optimierungen bei der Hardware (z.B. Befestigung der Räder, Drehroller) und der Programmierung können vorgenommen werden
Abschlussphase

Optional: Vorstellung ein Zuteilung der Differenzierungen

Die Möglichkeit zur Differenzierung für schnelle SuS wird in der App angeboten:

  • Differenzierung 1:  Das Zählrad kann mit einer Markierung versehen werden, damit man die Startposition erkennt. Ebenso können die LEDs mit Beschriftungen (auf Klebeetikett) versehen werden. Dies erleichtert das Ablesen der Einheiten. Material hierzu muss gestellt werden. 
  • Differenzierung 2: Die Anlage kann so programmiert werden, dass sich durch das Abgreifen des Flankenwechsels von positiver auf negative Flanke die geringste Entfernung auf 2 cm reduziert (halbiert). 
  • Differenzierung 3:  Die Anlage kann durch eine Getriebeergänzung so ausgelegt werden, dass auch größere Entfernungen (z. B. 2,1 km) ermittelt werden können. 
  • Differenzierung 4: Die Anlage kann durch einen weiteren Taster die zuvor gespeicherten Messergebnisse auf Tastendruck über die drei LEDs wiedergeben und anzeigen. 

Die weitere Vorgehensweise wird mittels der App realisiert.

 

Diskussion im Plenum

  • Nachbesprechung des Projekts im Klassenverbund.
  • Stärken und Schwächen der einzelnen Gruppenlösungen bzw. von Wegmessern für kurze oder lange Strecken werden erkannt und besprochen.

 

 

Informationen und Hinweise
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Methodisch-didaktische Hinweise
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Didaktischer Hinweis

Aufgrund der Komplexität des Modells wird angeraten, den Wegmesser erst am Ende der jeweiligen Lerneinheit bearbeiten zu lassen. Die benötigten Programmierkenntnisse sind recht komplex, die der Programmierung zugrundeliegenden Kenntnisse (siehe Programmierkenntnisse) sollten bereits zuvor in anderen Modellen erlernt und angewendet worden sein. Aus diesem Grund findet sich im SuS-Teil keine Schritt-für-Schritt Programmieranweisung.Die primäre Errechnung der Messfaktoren sowie die spätere Umrechnung von Zahlen verschiedener Zahlensysteme sind für die SuS relativ anspruchsvoll. Daher wird im SuS-Teil verstärkt auf die notwendigen Umrechnungen sowie die Impuls-/Flankensteuerung eingegangen. 

Differenzierungsmöglichkeiten

  • Die LEDs können mit Markierungen auf Etiketten versehen werden, um das Ablesen der Einheiten zu erleichtern. Ebenso kann mit einer farbigen Markierung die Startposition auf dem Laufrad gekennzeichnet werden.
  • Je nach Wunsch können über eine Änderung der Programmierung oder eine Änderung der Hardware kleinere Abstände oder größere Streckenlängen gemessen werden.
  • Die Messergebnisse können in einer Variablen zwischengespeichert werden, mittels eines Umschlüsselalgorithmus können die gemessenen Werte dann durch eine Abfrage des Messwertes in Vielfache von 2, 10 und 100 umcodiert und mittels einer LED nach dem Druck des zweiten Tasters angezeigt werden. Dieses Programm ist bedingt durch die Umcodierungen, Divisionen mit Rest, Einsatz von Zählvariablen und dem notwendigen Aufruf von einem Unterprogramm sehr komplex und sollte nur fortgeschrittenen SuS als Differenzierungsaufgabe gestellt werden.

Wettbewerb

  • Die Wegmesser mit der größten Messgenauigkeit sollten in einer praktischen Anwendung unter Wettbewerbsbedingungen ermittelt werden. 
  • Verschiedene Messungen von bekannten und genormten Entfernungen, z. B. 400-m-Rennbahn auf dem Sportplatz, können durchgeführt werden. 


Motivationale Aspekte

Die Erfassung von analogen Daten, deren Wandlung in digitale Daten und die Ausgabe der Ergebnisse haben einen hohen Motivationscharakter für SuS. Das Umwandeln einer Größe in eine andere stellt eine gewisse Herausforderung dar. Das Thema bietet eine gute Grundlage für Coding, welches in vielen Berufen zunehmend wichtig ist.

 

Zusatzmaterialien

Für die Einführung in das Thema ggf. ein Realobjekt einsetzen:

  • Anschauungsmedien in Form von einfachen Rollen oder Rädern, um aufzuzeigen, welche Strecke bei einer Umdrehung zurückgelegt wird.
  • Ggf. verschiedene handelsübliche Entfernungsmesser, die sich manuell auslösen lassen, z. B. Fahrradtacho mit Hallsensor. 
  • Optional: Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche)

Bauanleitung

Stromlaufplan

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen
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Funktion des Wegmessers

 

Technische Lösung

 

Start des Messvorgangs

 

 

Abfahren der zu messenden Strecke

 

Erfassen einer Strecke / eines Weges

 

 

Impulsgeber am Zählrad gibt Daten aus

 

Ausgabe der erfassten Strecke „4 cm“

 

 

Farbausgabe der grünen LED

 

Ausgabe der erfassten Strecke „16 cm“

 

 

Farbausgabe der gelben LED

 

Ausgabe der erfassten Strecke „64 cm“

 


Farbausgabe der roten LED

 

Ausgabe Ergebnis

 

 

Ausgabe der LED durch Tasterdruck

 

Neue Messung

 


Erneuter Start der Anlage


Materialliste
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Materialliste Grundschaltung des Wegmessers

 

 

Sensoren

 

 

Funktion

 

1 Laufrad an einer Welle

 

 

Erfassung der Entfernung

 

1 Taster

 

 

Impulszähler

 

Differenzierung 4: 1 Taster

 

 

Zwischenspeicherung und späterer Abruf der Messergebnisse durch 2. Taster

 


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Aktoren

 

 

Funktion

 

1 LED, grün

 

 

Ausgabe für 2²er-Einheiten, z.B. 4 cm oder deren Vielfache

Differenzierung 2:

2er-Einheiten, z.B. 2 cm oder deren Vielfache

Differenzierung 3:

Wiedergabe der Anzeige des Messergebnisses für Vielfache von 2 cm

 

 

1 LED, gelb

 

 

Ausgabe für 2⁴er-Einheiten, z.B. 16 cm oder deren Vielfache

Differenzierung 2:

10er-Einheiten, z.B. 100 cm oder Vielfache

Differenzierung 3:

Wiedergabe der Anzeige des Messergebnisses für Vielfache von 10 cm

 

 

1 LED, rot

 

 

Ausgabe von 2⁶er-Einheiten, z.B. 64 cm oder deren Vielfache

Differenzierung 2:

100er-Einheiten, z.B. 100 cm oder Vielfache

Differenzierung 3:

Wiedergabe der Anzeige des Messergebnisses für Vielfache von 100 cm

 

 

Differenzierung 3:

Getriebe an der Weile

 

 

Vergrößerung der möglichen Messwege / Messergebnisse


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