Modell 6: Automatische Tür

Aus dem Weg!


Klassenstufe
6-8
Zeitaufwand
2 Doppelstunden
Schwierigkeitsgrad
Modell: mittel, Programmierung: mittel
Modellart
Tischmodell für industrielle Automatiktüren
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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren das Modell einer Tür, die automatisch öffnet und schließt. 

Das Auslösen der Automatik kann je nach Differenzierungsbedarf über verschiedene Sensoren erfolgen: 

  • Handtaster (Grundschaltung), 
  • magnetische Zugangskarte (Differenzierung 1) oder
  • Bewegungserkennung (Differenzierung 2). 

Die Zeit des Schließens kann über die Programmierung variabel eingestellt werden. 

ALLTAGSBEZUG

Die durch einen Sensor initiierte Funktion einer automatisch auslösenden mechanischen Bewegung hat im Alltag von SuS eine zunehmend höher werdende Präsenz (Autotür, Heckklappe bei Fahrzeugen, Aufzugtür, automatischer Wasserhahn …). Das Auslösen einer automatisierten Funktion (z. B. durch Schalter, Helligkeitsänderungen, Bewegungs- oder Gestensteuerung) birgt seit jeher eine hohe Motivation, ebenso wie die Verbindung von mechanischen Bewegungen mit moderner Steuerung. Auch vorberufliche Orientierung spielt im Hinblick auf das Nutzen, Verstehen, Entwickeln und Optimieren eines entsprechenden Systems eine wichtige Rolle. 

Leitfragen

  • Wo werden automatische Türen im Alltag verbaut? (Kommunikation)
  • Welche Auslösemöglichkeiten gibt es für das Bedienen der Tür? (Kommunikation)
  • Wie lässt sich eine Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umwandeln? (Kreativität)
  • Welche Zeitschleifen sind beim Betreiben sinnvoll? (kritisches Denken, Kollaboration)
    ​

Fächerbezug
​

Informatik
Grundlagen der Programmierung verschiedener Sensoren, Zeitschleifen
Technik
Getriebelehre, einen Gegenstand fertigen und optimieren
Physik
mechanische und kinematische Aspekte von Bewegungen

Unterrichtsverlauf
​

Einführungsphase

Unterrichtsgespräch (ohne App)

  • Szenarien abfragen, in denen eine automatisch auslösende Tür mechanische Vorgänge des Lebens erleichtert.
  • Verschiedne mögliche Systeme aus dem Alltag der SuS sammeln.
  • Vorstellung der Aufgabe.
  • Diskussion über sinnvolle Zeitintervalle (Verzögerungen) und Festlegen der Zeitschleifen.
  • Diskussion über Realisierung möglicher kinematischer Lösungen (Rotation/Translation) und Festlegen der kinematischen Realisierungen des Antriebs.

ggf. Hilfestellung

  • Sensoren, Aktoren und Bauteile 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 die erste Aufgabe in der App.
  • Sie erstellen in der App Anforderungslisten für mechanische Teile und für Sensoren, die für das automatische Öffnen und Schließen der Tür notwendig sind.

Unterrichtsgespräch (ohne App)

  • Mögliche zu verwendende Sensoren (Differenzierung) werden angesprochen. Die Mindestanforderungen der Aufgabe wird festgelegt.: 1 Sensor zu Öffnen der Tür.
  • Das Vorgehen der weiteren Differenzierung wird besprochen.

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 der automatischen Tür. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
Programmierphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Die SuS schreiben das Programm für die Türsteuerung (Taster als Sensor). Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
  • Hilfe wird in der App angeboten.
  • Das Programm wird auf den RX Controller übertragen.
Experimentier- und Testphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Die Türsteuerung wird in Betrieb genommen
  • Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und behoben werden. Hilfe wird in der App angeboten.
  • Eventuelle Optimierungen bei der Hardware und der Programmierung der Zeitschleifen werden vorgenommen.
Abschlussphase

Optional: Vorstellung ein Zuteilung der Differenzierungen

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

  • Differenzierung 1: Zusätzliche Steuerung durch einen Magnetschalter
  • Differenzierung 2: Zusätzliche Steuerung durch Gestensteuerung

Die Lehrkraft spricht infrage kommende SuS an. Die weitere Vorgehensweise wird durch die App realisiert.

 

Diskussion im Plenum

  • Nachbesprechung des Projekts im Klassenverbund.
  • Ggf. werden die Ergebnisse der Differenzierung besprochen. Der Einsatz der verschiedenen weiteren Sensorsteuerungen wird demonstriert.
  • Stärken und Schwächen der Lösungen werden erkannt und besprochen.
  • Ausblick auf Optimierungsmöglichkeiten / Bedarfe in Alltagslösungen (Übertragung der Thematik auf den Alltag) werden erkannt und besprochen (z. B. Lichtschranke, Warnlampe …).

 

 

Informationen und Hinweise
​

Methodisch-didaktische Hinweise
​

Differenzierungsmöglichkeiten

Das Modell (Grundaufgabe Taster auf der Innenseite) eignet sich in besonderer Weise zur Differenzierung. Je nach zur Verfügung stehender Zeit kann die Anlage mit wenig Aufwand in weiteren Stufen durch einen magnetisch auslösbaren Schalter an der Front der Tür (Reedkontakt) und/oder durch einen Bewegungssensor (RGB Gestensensor) auf der Türinnenseite ergänzt werden. Die Programmierung mittels weiterer Schleifen ergibt einen großen Effekt durch weitere Auslösemöglichkeiten für das Öffnen der Tür. 

 

Motivationale Aspekte

Der Wunsch, eine möglichst vielseitig steuerbare Anlage durch die Verwendung der unterschiedlichsten Sensoren zu haben, ist groß. Auch durch das Bekanntsein verschiedener Alltagslösungen ist damit zu rechnen, dass ggf. Interesse besteht, die Anlage um weitere sinnvolle Komponenten zu ergänzen (z. B. optische Statusanzeige der Anlage, Warnfunktion vor dem Schließen der Tür …).

Zusatzmaterialien

  • Optional: Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche)

Bauanleitung

Stromlaufplan

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen
​

Funktion des Anlage

 

Technische Lösung

 

Auslösen der Türöffnung (gesehen von der Innenseite)

 

 

Drücken eines Tasters

 

Endposition für geöffnete Tür

 

 

Impulszähler

 

Endschalter für geschlossene Tür

 

 

Auslösen des Endschalters (Taster)

 

Öffnen der Tür

 

 

Öffnen der Tür mittels Motor und
Schneckengetriebe

 

Schließen der Tür

 

 

Schließen der Tür mittel Motor und Schneckengetriebe
​

 

Differenzierung 1: Auslösen der Türöffnung (gesehen von der Außenseite)

 

 

Auslösen eines Reedkontakts mittels Magnet

 

Differenzierung 2: automatisches Auslösen der Türöffnung (gesehen von der innenseite)

 

 

Auslösen des RGB Gestensensors

Materialliste
​

Materialliste der Grundschaltung 

 

Sensoren

 

 

Funktion

 

1 Taster

 

 

Auslösen des Öffnungsprozesses der Tür

 

1 Taster

 

Ausschalten des Motors bei geschlossener Tür

 

 

1 Taster

 

Festlegen der Endposition der geöffneten Tür (Impulszähler)

 

 

Differenzierung 1: 1 Reedkontakt

 

 

Auslösen des Öffnungsprozesses der Tür

 

Differenzierung 2: 1 RGB Gestensensor

 

 

Auslösen des Öffnungsprozesses der Tür

 


 

Aktoren

 

 

Funktion

 

1 Motor inkl. Getriebe

 

 

Öffnen/Schließen der Tür

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