Im Rahmen des Lernfeldes "Sicherstellen der Betriebsfähigkeit von automatisierten Anlagen" für Industriemechanikerinnen und -mechaniker sollen die Auszubildenden einen Einblick in die BUS-Technik und deren Vorzüge erhalten und die Grundlagen der SPS-Programmierung an einer realen Anlage kennen lernen. Nach dem ersten Teil der Abschlussprüfung für Industriemechanikerinnen und -mechaniker hat die Elektropneumatik nicht mehr den Stellenwert wie in den Jahren davor. Vorrangig sind Inhalte aus der betrieblichen Praxis. Nach der Verdrahtungsprogrammierung steht in Niedersachsen die praxisnahe SPS-Programmierung auf dem Stoffverteilungsplan. Aufgrund der sachlichen Voraussetzungen an unserer Schule wird zunächst die als veraltet geltende Programmierung mit der SPS PR3 von Klöckner-Möller ausprobiert. Im zweiten Schritt kommt dann die Programmierung mit CoDeSys als neues System zur Anwendung. Den Schülerinnen und Schülern wird hier besonders die Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes deutlich. Damit einher geht die Minimierung der Fehlermöglichkeiten. Hier wird eine Makroeinheit zum Thema SPS-Technik vorgestellt. Als Grundlage wird die Programmierung mit dem AS-i-BUS-System und der Software CoDeSys genutzt. Ablauf der Unterrichtssequenz Den Ablauf der Unterrichtssequenz sowie alle benötigten Materialien einzeln zum Download haben wir hier für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Verständnis für die Softwareprogrammierung von pneumatischen Anlagen entwickeln. die Programmierung von einfachen Programmen mittels Funktionsplantechnik beherrschen. technische Systeme durch AS-i-BUS-Technik optimieren. Lernsituation Die Sequenz beginnt mit der Vorstellung der elektropneumatischen Anlage als eine Teilkomponente eines komplexen Systems. Die Schülerinnen und Schüler sollen den Funktionsablauf am realen Objekt erläutern. Funktionsbeschreibung Die Lernenden sollen einen Funktionsplan oder ein Funktionsdiagramm erstellen. In diesem Zusammenhang wird ein pneumatischer Schaltplan der realen Anlage erstellt. Lernsituation Die Schülerinnen und Schüler erhalten den Auftrag, die Einzelkomponenten der Entnahmestation so zu programmieren, dass Werkstücke aus dem Magazin entnommen und auf dem Übergabefeld abgelegt werden. Dafür sollen sie verschiedene vorbereitende Programmierungen durchführen: die gewünschte Funktion mit FUP (Funktionsplanprogrammierung) programmieren, den Vorgang am Rechner simulieren und die Funktionskontrolle an der Anlage (Funktionsmodell Entnahmevorrichtung) durchführen. 1. Auftrag Nach Betätigung von Taster 8 (grün) und Taster 6 (grün) soll die rote Lampe an Taster 8 leuchten. 2. Auftrag Die Programmierung der ersten Aufgabe wird um folgenden Auftrag ergänzt: Nach Betätigung von Taster 6 (grün) soll zusätzlich die rote Lampe an Taster 4 leuchten. 3. Auftrag Die Programmierung der vorherigen Aufgabe wird um folgenden Auftrag ergänzt: Nach Betätigung von Taster 4 (grün) oder Taster 2 (grün) soll die rote Lampe an Taster 2 leuchten. 4. Auftrag Die Programmierung der vorherigen Aufgabe wird um folgenden Auftrag ergänzt: Die rote Lampe an Taster 2 soll nur leuchten, wenn die Taster 8 (grün) oder Taster 6 (grün) nicht betätigt werden. 5. Auftrag Die Lernenden sollen die Entnahmestation entsprechend der Aufgabenstellung der Lernsituation programmieren. Nach einem Startsignal durch Taster 2 (grün) und Taster 4 (grün) soll der Entnahmezyklus solange ablaufen, bis ein Stoppsignal von Taster 2 (rot) oder Taster 4 (rot) erfolgt. Bei der Betätigung der Taster soll die zugehörige Tasterleuchte leuchten. Das Greifen des Greifers soll durch ein Leuchten an der roten Leuchte von Taster 8 angezeigt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen dafür einen Ablaufplan nach Grafcet erstellen. Einführung in CoDeSys Im zweiten Teil der Stunde wird in der Software CoDeSys eingeführt. Das Programm wird mit einer AND-Funktion nach Anleitung realisiert. UND-ODER-Bausteine Nun wird eine Sequenz wie etwa das Greifen des Greifers aus dem Bewegungsablauf extrahiert. Dafür werden verschiedenen Bausteine (UND, ODER) erläutert und dargestellt. BUS-Technologie Die Bedeutung der BUS-Technologie wird erläutert (siehe Material 9). Programm AND Das Programm AND wird aufgerufen und nach der Anleitung simuliert. Die Funktionskontrolle erfolgt auch an dem Funktionsmodell. Unterstützend können die Schülerinnen und Schüler auf die Materialien 3 und 6 zurückgreifen. In weiteren Aufgabenstellungen werden weitere Verknüpfungsarten bearbeitet, erstellt, simuliert und gegebenenfalls an der Anlage in Betrieb genommen. In den nächsten vier Unterrichtsstunden beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit folgenden Aspekten: Theorie: AS-i in der automatisierten Fertigung Funktionsablauf der Anlage: Darstellung im FUP und in einem Ablaufplan Erste Schritte: Steuerung des Funktionsmodells, Simulation, Transfer an das Funktionsmodell (gegebenenfalls Einführung Schrittkette, Merkerprogrammierung) Programmierübungen (siehe Material 10 und 11). Einführung Schrittkette, Merkerprogrammierung, Programmierung des Systems bis zum Ablegen des Werkstücks (siehe Material 12). Vergleiche auch Anleitungen für die Programmierung der einzelnen Komponenten (siene Material 6). Nun erfolgt die Rest-Programmierung des Systems sowie die Dokumentation, Präsentation und Bewertung der Ergebnisse. Benötigt werden erneut die Materialien 10, 11 und 12. Den Abschluss der Sequenz bildet eine zweistündige Klassenarbeit zu den Themen SPS-Programme, CoDeSys und AS-i (siehe Material 13).

Das "Sicherstellen der Betriebsfähigkeit von automatisierten Anlagen" ist ein Lernfeld für den Ausbildungsberuf zur Industriemechanikerin/ zum Industriemechaniker. In dieser Unterrichtseinheit erhalten Auszubildende einen Einblick in die Programmierung von SPS-Geräten.Anhand einer realen Funktionseinheit - eines Umsetzers für Katalysatoren - werden in der Unterrichtseinheit Funktionsabläufe mithilfe der kostenpflichtigen Software LOGOSoft programmiert, an die Steuereinheit einer LOGO!8 der Firma Siemens übertragen und die Funktion an der vorhandenen Anlage überprüft. Anbindung an den Rahmenlehrplan Zielgruppe der Unterrichtseinheit "Programmierung von automatisierten Anlagen" sind Auszubildende zur Industriemechanikerin / zum Industriemechaniker im dritten und vierten Ausbildungsjahr. Grundlage ist der Niedersächsische Rahmenlehrplan vom Juni 2004. Die Inhalte beziehen sich auf das Lernfeld 13: Sicherstellen der Betriebsfähigkeit von automatisierten Anlagen. Auswahl des Lerninhaltes Im ersten und zweiten Ausbildungsjahr zur Industriemechanikerin / zum Industriemechaniker dominieren im Bereich der Steuerungstechnik unter anderem die Pneumatik und die Elektropneumatik. In den Betrieben finden die Auszubildenden allerdings eher Steuerungen vor, die mit SPS-Geräten betrieben werden. Diesem Thema wird die Unterrichtseinheit gerecht. Den Schülerinnen und Schülern werden die Einfachheit der Programmierung der Anlagen, die Übersichtlichkeit des Systems sowie die Flexibilität der verwendeten SPS-Geräte verdeutlicht. Damit werden die Vorzüge der LOGO für abgeschlossene automatisierte Anlagen mit übersichtlichen Aufgaben dargestellt. Voraussetzungen an der Schule Die technischen Voraussetzungen für die Umsetzung der Unterrichtseinheit sind: Funktionsmodell, ausreichend Computerarbeitsplätze mit installierter Software LOGOSoft (Demoversion kostenfrei). An einem Rechner ist die kostenpflichtige Vollversion der Software LOGOSoft für den Datentransfer an die LOGO installiert. Die Inbetriebnahme weiterer Funktionsmodelle ist geplant. Sozialform Programmiertätigkeit Die einfacheren Programmieraufgaben werden in Einzelarbeit, die komplexeren in Partnerarbeit oder Dreiergruppenarbeit erledigt. Für die Komplexaufgabe (Blatt 8105, Aufgaben 6 und 7) werden die ersten drei Schritte in Grafcet und nach FUP gemeinsam an der Tafel erstellt.Die Schülerinnen und Schüler entwickeln ein Verständnis für die Softwareprogrammierung von pneumatischen Anlagen. beherrschen die Programmierung von einfachen Programmen mittels Funktionsplantechnik. optimieren technische Systeme durch die Programmierung. lernen die Vorzüge der Softwareprogrammierung kennen.

In der vorliegenden Unterrichtseinheit "Der programmierbare Roboterarm" sollen die Schülerinnen und Schüler erste Einblicke in die Automatenprogrammierung und die Strukturierung von Programmen erhalten. Die Materialien können für die Erarbeitung im Unterricht und zur Wiederholung oder Prüfungsvorbereitung - auch am heimischen Rechner - eingesetzt werden.Die Behandlung des Themas "Informationen verarbeiten" wird an vielen Schulen mittels der Programme "Karol - der Roboter" oder "Kara" erledigt. Bei beiden Programmen tun sich die Schülerinnen und Schüler schwer damit, Sensoren zu erkennen und automatisierte Abläufe hineinzuinterpretieren. An diesem Problem soll nun der "Roboterarm" ansetzen und den Lernenden diese wichtigen Begriffe der Informatik praxisnah veranschaulichen. Das in dieser Unterrichtseinheit verwendete dreidimensionale Modell eines Roboterarms wurde durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) verwirklicht.Der programmierbare Roboterarm setzt jede Eingabe der Schülerinnen und Schüler bildlich um - durch diese Veranschaulichung ist der Lernerfolg "vorprogrammiert". Das VRML-Plugin von blaxxun Contact steht kostenfrei zur Verfügung. Der gesamte Kurs "Der programmierbare Roboterarm" ist in vier Kapitel unterteilt. Während sich die ersten drei Kapitel an die Klassen 7 bis 8 richten, können die Inhalte des vierten Kapitels auch in Klasse 10 beziehungsweise Jahrgangsstufe 11 und 12 zum Einsatz kommen. Ausführliche Hinweise zum Lehrplanbezug (hier Sachsen) finden Sie auf den folgenden Seiten. 1. Einführung in die Automatenprogrammierung - Sensoren und Zustände Schülerinnen und Schüler erkunden den Roboterarm. Sie erstellen das UML-Diagramm und modifizieren es durch Methodenaufrufe. 2. Einführung in die Automatenprogrammierung - Lineare Programmierung Nach dem "Spielen" mit dem Roboterarm über die Programmbuttons geht es nun um die Automatisierung von Abläufen - der eigentlichen Aufgabe von Robotern. 3. Einführung in die Automatenprogrammierung - Programmanalyse Die Lernenden müssen die Zusammenhänge zwischen den Sensorzuständen und den Methodenaufrufen abstrahieren. 4. Strukturiertes Programmieren - Nutzung von Kontrollstrukturen Nach dem linearen Programmieren lernen die Schülerinnen und Schüler Schleifen und Verzweigungen kennen. Die Schülerinnen und Schüler untersuchen durch die Nutzung des VRML-Modells die Sensoren und ihre verschiedenen Zustände an einem Roboterarm. untersuchen das UML-(Unified Modeling Language-)Diagramm des "Industrieroboters" sowie das Schema der Zustände und ihre Beeinflussung mit verschiedenen Methoden. bestimmen vorprogrammierte Bewegungsabläufe unter Berücksichtigung der Sensorenzustände mittels Programmeingabe und halten diese in Zustandstabellen fest. untersuchen die Kontrollstrukturen Schleifen (Wiederholungen) und bedingte Verzweigungen und wenden diese an. Erkundung des 3D-Modells Durch eine spielerische Beschäftigung mit dem VRML-Modell (Abb. 1) soll den Schülerinnen und Schülern klar werden, über welche Sensoren der Roboterarm verfügen muss und welche Zustände diese Sensoren annehmen können. So können die Lernenden gemeinsam das UML-(Unified Modeling Language-)Diagramm sowie das Schema der Zustände und der Methoden erarbeiten (siehe "roboterarm_1.pdf"). Dabei wird ihnen auch klar, von welchem Zustand man NICHT in einen anderen Zustand kommt. Plugin erforderlich Das dreidimensionale Modell wurde durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) verwirklicht, die speziell für das Internet entwickelt worden ist. Das zur Darstellung des Modells erforderlich Plugin können Sie kostenlos aus dem Internet herunterladen: blaxxun Contact 5.1 Download des Plugins von der Homepage des Autors der Unterrichtseinheit Cortona3D Viewer Download der Freeware-Version Cortona von Parallel Graphics Methodenaufrufe Nach der Erarbeitung Theorie kann das UML-Diagramm erstellt und durch Methodenaufrufe modifiziert werden (siehe "roboterarm_1.pdf"). Das erworbene Wissen kann simultan am Rechner auf die Probe gestellt werden. Für die Methodenaufrufe stehen im ersten Teil des Programms "Roboterarm.exe" sechs Button zur Verfügung (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken): R - Arm nach rechts drehen L - Arm nach links drehen H - Roboterarm nach oben (hoch) schwenken T - Roboterarm nach unten (tiefer) schwenken A - Greifer öffnen (auf) Z - Greifer schließen (zu). Über diese Buttons wird der Roboterarm gesteuert. Bei einem falschen Methodenaufruf gibt das Programm eine entsprechende Fehlermeldung aus. Wird zum Beispiel der Button "R" gedrückt, wenn der Richtungssensor bereits "rechts" anzeigt, hat dies eine entsprechende Fehlermeldung zur Folge. Lernumgebung "Programmierbarer Roboterarm" Die Lernumgebung ist - wie alle weiteren Materialien zur Unterrichtseinheit - in dem Downloadpaket programm_roboterarm.zip enthalten (siehe Startseite des Artikels). Das Programm wird per Klick auf die Datei "Roboterarm.exe" gestartet. Die EXE-Datei ruft die Bilddateien der Unterordner "mit_kugel" und "ohne_kugel" sowie die PDF-Arbeitsblätter auf und muss daher mit diesen Ordnern und Dateien auf einer Ebene liegen. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag, Bedienen technischer Geräte Lernbereich 2, Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden Zuordnung von konkreten Objekten zum Modell: Objekt - Attribut - Attributwert, UML-Notation (Unified Modeling Language) Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Einfache Programmierung Zur Automatisierung von Abläufen muss ein Weg gefunden werden, wie man der Maschine mitteilen kann, was man von ihr will. Das geschieht im Allgemeinen über die Programmierung. Die Schülerinnen und Schüler sollen an dieser Stelle jedoch keine Programmierprofis werden, sondern sich mit den Strukturen einer Programmiersprache vertraut machen. Die vorliegende Programmiersprache besteht im Wesentlichen aus einer Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z, wobei jeder Buchstabe eine Methode aufruft und somit einen Sensorzustand verändert: R - Arm nach rechts drehen L - Arm nach links drehen H - Roboterarm nach oben (hoch) schwenken T - Roboterarm nach unten (tiefer) schwenken A - Greifer öffnen (auf) Z - Greifer schließen (zu). "Sehen", was man programmiert Die Eingabe falscher Buchstaben wird durch den Parser herausgefiltert - es erfolgt keine Fehlermeldung. Dies kann man übrigens später nutzen, um zum Beispiel im Rahmen der Binnendifferenzierung Wörter zu finden, die den Roboterarm sinnvoll programmieren. Die in Frage kommenden Buchstaben mit ihrem dazugehörigen Methodenaufruf sind während der Eingabephase immer auf dem Bildschirm präsent (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Durch die signifikante Bedeutung der Programmierbefehle dieser rudimentären Programmiersprache sollte jede Schülerin und jeder Schüler binnen kürzester Zeit Erfolgserlebnisse in Form von gewünschten Bewegungsabläufen erringen. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit), Kennen des Problemlöseprozesses (Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation), selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten, Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen (kritische Bewertung der Resultate) Nennung der Methodenaufrufe Im dritten Abschnitt des Programms zeigt sich, ob die Lernenden die Theorie zur linearen Programmierung verstanden haben. Die Schülerinnen und Schüler haben nun die Aufgabe, vorgegebene Bewegungsabläufe in Programme umzusetzen. Dazu können sie Bewegungsabläufe betrachten, indem sie den entsprechenden Button anklicken (Beispiel 1-4; Abb. 4, Platzhalter bitte anklicken). Die Lernenden können sich die Sequenzen beliebig oft vorspielen lassen. Dann muss ein Programm aus einer Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z formuliert und in die entsprechende Eingabemaske eingetragen werden. Nach einem Klick auf den "ok"-Button wird die Eingabe analysiert und bewertet. Ausfüllen der Zustandstabellen Die eigentliche Schwierigkeit besteht dabei nicht in der konkreten Auflistung der Methodenaufrufe in Form eines Programms, sondern vielmehr im Ausfüllen der Zustandstabellen. Dazu müssen die Schülerinnen und Schüler die Zusammenhänge zwischen den Sensorzuständen und den Methodenaufrufen abstrahieren. Die Sensorenzustände werden nicht mehr angezeigt. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit); Kennen des Problemlöseprozesses: Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test und Dokumentation; selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten, Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen; kritische Bewertung der Resultate Lernbereich 2, Formeln und Gleichungen Die Schülerinnen und Schüler erfassen komplexere Aufgabentexte und übertragen den lösungsnotwendigen Inhalt in die mathematische Sprache und deren Symbolik. Sie erfassen Strukturen von Termen, Gleichungen und Formeln. Anschauliche Einblicke in die Programmierung Das strukturierte Programmieren - also die Nutzug von Kontrollstrukturen - setzt bei den Schülerinnen und Schülern ein erhöhtes Maß an Abstraktionsvermögen voraus. Durch Anschaulichkeit kann man ihnen jedoch den Weg der Aneignung erster Erfahrungen mit dieser Materie ebnen. Diesen Anspruch versucht das Programm "Roboterarm" gerecht zu werden. Nach den ersten Einblicken in die (lineare) Programmierung des Roboterarms sollen nun Aufgaben programmiertechnisch gelöst werden, bei denen man vorzugsweise Kontrollstrukturen einsetzt. Schleifen und Verzweigungen Beim linearen Programmieren galt bisher: Ein Programm für den programmierbaren Roboterarm besteht aus einer Reihe von Großbuchstaben, die von links nach rechts abgearbeitet werden. Beim strukturierten Programmieren kommen nun jedoch Schleifen und Verzweigungen mit hinzu. Da Schleifen und Verzweigungen dem linearen Ablauf des Programms widersprechen, spricht man nicht mehr von linearer Programmierung, sondern von strukturierter Programmierung. Im vierten Abschnitt des Programms werden nacheinander die folgenden Themen behandelt, die über die jeweiligen Reiter aufgerufen werden können (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Über den letzten Karteikartenreiter kommt man zurück zum Hauptmenü. Es empfiehlt sich, die Kapitel der Reihe nach abzuarbeiten: Bedienung des Roboterarms über Buttons Lineares Programmieren mit Kugeltransport Kontrollstruktur "Schleifen" Kontrollstruktur "Bedingte Verzweigungen" Beibehaltung der Befehle Die bereits bekannten Programmierbefehle werden beibehalten. Auch in diesem Programmteil ist während der Bedienung darauf zu achten, dass die Anzeige der Sensoren berücksichtigt wird. Wenn zum Beispiel der Richtungs-Sensor bereits "links" anzeigt, kann der Befehl "L" (Roboterarm nach links schwenken) nicht mehr ausgeführt werden. Das Programm gibt eine Fehlermeldung aus. Neuer Befehl: Kugeltausch Hinzu kommt nun die Last in Form einer Kugel, die durch den Roboterarm vom rechten Lager auf das linke Lager befördert werden soll. Jede der Kugeln hat die Masse 300 Kilogramm. Sobald der Greifer um die Kugel geschlossen wird, zeigt der Last-Sensor die aktuelle Last an. Nachdem die Kugel mittels Roboterarm vom rechten Lager auf das linke Lager befördert wurde, kann der Kugeltausch (neuer Befehl der Programmiersprache: "K") durchgeführt werden. Neue Sensoren: Last- und Lastlage In diesem Zusammenhang sind zwei neue Sensoren hinzugekommen, welche die Last betreffen. Der Roboterarm verfügt nun über einen Last-Sensor, der die Masse der Last in Kilogramm ermittelt. Der zweite Sensor ist der Lastlage-Sensor, der über die aktuelle Lage der Kugel informiert. Für den problemlosen Kugeltausch (Abb. 6) müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Die Kugel muss vom rechten Lager auf das linke Lager befördert worden sein. (Lastlage-Sensor: links ) Die Kugel muss freigegeben sein. (Roboterarm-Sensor: oben ) Kugeltausch Die Programmiersprache bestand bisher aus der Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z. Damit konnte man den Roboterarm durch seine gesamten Bewegungsfreiheiten (Sensor-Zustände) führen. Zum Erfüllen der nun anstehenden Aufgaben benötigt man darüber hinaus noch den Befehl "K", der die Methode Kugeltausch aufruft. Gemäß der unter "4.1 Bedienung des Roboterarms über Buttons" betrachteten Bedingungen kann nun eine nach links transportierte Kugel - die vom Greifer freigegeben wurde - ausgetauscht werden (Abb. 7). "Aufgabe erfüllt" Die Kugel wird von ihrem linken Podest (Sensor-Lastlage = links ) entfernt und die nächste Kugel auf dem rechten Podest bereitgestellt (Sensor-Lastlage = rechts ). Für die Erfüllung der Aufgabe ist zu beachten, dass die Anzahl der bewegten Kugeln erst nach dem Kugeltausch erfasst wird (Abb. 8). "Schleifen" statt Wiederholung von Programmteilen Der Abschnitt "Schleifen" bearbeitet innerhalb des Roboterarm-Programms zum ersten Mal Programmstrukturen, die von der linearen Programmierung abweichen. Wenn zum Beispiel nicht nur eine Kugel bewegt werden soll, sondern eine beliebige Anzahl, so musste man dafür bisher einen bestimmten Programmteil mehrfach wiederholen. Das kann man auch eine Schleife erledigen lassen. Als Schleife wird ein Programmteil bezeichnet, der mehrfach nacheinander ausgeführt werden kann. Syntax der Schleife Der Roboterarm erkennt die Kontrollstruktur einer Schleife an der Syntax "W3(ZA)" (Abb. 9). Das "W" kennzeichnet die Struktur als Wiederholung (Schleife), die darauf folgende Ziffer (1-9) gibt die Anzahl der Wiederholungen an. Für die Bearbeitung der gestellten Aufgaben sind einstellige Zahlen ausreichend - mehrstellige Zahlen werden auf die letzte Stelle reduziert. Die Befehlssequenz in der Klammer stellt den zu wiederholenden Programmteil dar. Beim Programmablauf würde "W3(ZA)" dasselbe ergeben wie "ZAZAZA". Allerdings kann man bei vielen Wiederholungen oder größeren Schleifen Befehle sparen. Bei der Verwendung von Schleifen ist zu beachten, dass mehrere Schleifen nacheinander - aber nicht geschachtelt - eingegeben werden dürfen. Unterschiedliche Beantwortung einer Bedingung mit mehreren Alternativen Mit den "Wiederholungen" kennt man bereits eine Kontrollstruktur, die das Verzweigen eines Programms ermöglicht. Eine echte Verzweigung jedoch - die sich aus der unterschiedlichen Beantwortung einer Bedingung mit mehreren Alternativen ergibt - ist das noch nicht. In dem hier vorgestellten Programmteil werden dem Roboterarm Kugeln mit unterschiedlichen Lasten (null bis 500 Kilogramm) vorgelegt. Die Masse von 300 Kilogramm ist dabei die Obergrenze, die der Roboterarm heben kann, ohne Schaden zu nehmen. Sobald der Roboterarm eine Kugel im Greifer hat (Richtung: links , Arm: unten , Greifer: zu ) wechselt die Lastposition auf den Zustand im Greifer und nun muss der Test erfolgen, ob die Last vom Roboterarm bewegt werden kann oder nicht. Syntax der bedingten Verzweigung Der Roboterarm erkennt die Kontrollstruktur der Verzweigung an der Syntax "I". Der Großbuchstabe "I" steht für das englische "if ... then". Die erste Befehlsfolge wird ausgeführt, wenn die Kugel die erlaubte Masse von höchstens 300 Kilogramm hat. Bei der anderen Alternative (Masse > 300 Kilogramm) wird die zweite Befehlsfolge ausgeführt. Es ist darauf zu achten, dass der Roboterarm am Ende des Tests bei beiden Alternativen dieselben Sensoren-Zustände hat, damit das Programm anschließend fehlerfrei weiter ausgeführt werden kann. Beispiel "Bewege fünf Kugeln" Für die Bearbeitung der zweiten Aufgabe "Bewege fünf Kugeln" kann der Test problemlos in die Schleife eingebaut werden - es darf aber nur ein Test im Programm durchgeführt werden. Wenn die Kugel zu schwer ist, muss sie rechts liegen bleiben, bis der Roboterarm wieder nach oben geschwenkt ist. Nun kann die Kugel auch in der rechten Position getauscht werden und der Kugeltausch wird für die Erfüllung der Aufgabe mitgezählt. Abb. 10 zeigt eine schematische Darstellung der Verzweigung für die Befehlsfolge "RTZI L". Sensoren-Zustände vor der Verzweigung Richtung: rechts , Arm: unten ; Greifer: zu Sensoren-Zustände nach der Verzweigung Richtung: rechts ; Arm: oben ; Greifer: zu Der Unterschied besteht darin, dass sich nach der Verzweigung für den Fall "Masse > 300 Kilogramm" keine Kugel im Greifer befindet, sondern auf dem rechten Podest. Anderenfalls befindet sich die Kugel im Greifer. Wenn alle Aufgaben erfolgreich gelöst worden sind, sollten die Schülerinnen und Schüler die Struktur von Programmen grundlegend beherrschen und für weiterführende Programmieraufgaben gut vorbereitet sein. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 2, Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden Zuordnung von konkreten Objekten zum Modell: Objekt - Attribut - Attributwert Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit); Programmstrukturen, Folge, Wiederholung, Verzweigung: Kennen des Problemlöseprozesses (Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation, Lösen eines einfachen Problems unter Nutzung der Programmstrukturen, selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten), Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen (kritische Bewertung der Resultate) Lernbereich 1, Komplexe Anwendungssysteme Anwenden der Kenntnisse zu Modellen auf ein neues Werkzeug (Erkennen von Objekten, selbstständiges Einarbeiten in die Bedienung), sich positionieren zu Möglichkeiten und Grenzen der gewählten Werkzeuge Lernbereich 2, Informatische Modelle Einblick gewinnen in die Systematik informatischer Modellierung, Klassifizierung von Modellen in der Informatik Lernbereich 2, Formeln und Gleichungen Schülerinnen und Schüler erfassen komplexere Aufgabentexte und übertragen den lösungsnotwendigen Inhalt in die mathematische Sprache und deren Symbolik. Sie erfassen Strukturen von Termen, Gleichungen und Formeln.

Diese Unterrichtsreihe stellt Berufsschulen Materialien zur Verfügung, die eine Einführung in die Mikrocontroller-Programmierung am Beispiel des Arduino ermöglichen. Dabei kann gänzlich auf Hardware verzichtet werden, denn die Simulation bietet eine vollständige und leicht bedienbare Virtualisierung. Der Beitrag entstand im Rahmen des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Projekts "Berufsschule digital". Der Arduino ist ein Mikrocontroller und Open Source-Projekt von Massimo Banzai und David Cuartielles aus dem Jahr 2005. Hard- und Software sind im Internet unter einer Creative-Commons-Lizenz frei verfügbar. Ein Mikrocontroller besteht aus einem Prozessor und verschiedenen Peripherie-Elementen. In vielen Haushaltsgeräten oder Maschinen werden Mikrocontroller für zahlreiche Aufgaben eingesetzt. So findet man diese in Waschmaschinen, Fernsehgeräten, Fernbedienungen, Druckern, aber auch in Fahrzeugen, zum Beispiel für die Steuerung von Fensterhebern, Airbags oder Klimaanlagen. Dieses Unterrichtsmaterial für die Berufsschulfächer Elektrotechnik und Metalltechnik umfasst eine Einführung für die Lehrkraft sowie die Schülerinnen und Schüler in Form einer PowerPoint-Präsentation. Vorbereitet sind sieben Unterrichtseinheiten , für die lediglich pro Schülerin oder Schüler ein Computer mit Internetverbindung benötigt wird. Die Programmier-Aufgaben lassen sich komplett am Bildschirm bearbeiten. Die Unterrichtseinheiten orientieren sich an einem Pkw, der mit Sensoren und Programmen in seinen Funktionen erweitert wird , zum Beispiel durch ein automatisches Abblendlicht, einen Parksensor und eine automatische Abstandsregelung. Vorkenntnisse Die Lernenden benötigen keine Vorkenntnisse in Programmierung. Sie sollten aber über grundlegende Computerkenntnisse verfügen. Didaktische Analyse Das Thema Programmieren ist generell von Relevanz für alle Schülerinnen und Schüler, denn die Digitalisierung bringt immer mehr Automatisierung und Künstliche Intelligenz (KI) in den Alltag der Menschen. Die Schülerinnen und Schüler von heute sollten im Hinblick auf ihre Zukunft grundlegende Zusammenhänge der Programmierung kennen, um die Möglichkeiten aber auch Beschränkungen von Software zu erfassen. Heutiges Programmieren findet kaum noch auf einem leeren Blatt Papier statt. Programmcode wird heute aus dem Internet geladen, analysiert, wiederverwendet und abgeändert. Wichtig ist es, wiederverwendeten Programmcode vollständig verstanden zu haben, um ihn für eigene Projekte zu benutzen. Die Lehrkraft sollte die Schülerinnen und Schüler zu dieser Vorgehensweise anhalten. Mithilfe einer detaillierten Kommentierung des Programmcodes kann sichergestellt werden, dass bei den Lernenden das notwendige Verständnis vorhanden ist. Methodische Analyse Die Lerneinheiten sowie die Lösungen sind auf tinkercad.com vorbereitet und werden auch dort von den Lernenden bearbeitet. Die Lehrkraft kann die Schülerinnen und Schüler bei TinkerCAD als Klasse einladen oder Einzel-Accounts durch die Schülerinnen und Schüler erstellen lassen, die dann auch zuhause genutzt werden können. Weiterhin ist es möglich, die Aufgaben mit realen Bauteilen und Mikrocontrollern zu bearbeiten, weil sowohl Programmier-Code als auch Hardware identisch in der Simulation abgebildet werden. Entsprechende Hardware-Sets sind kostengünstig frei erhältlich. Für Schülerinnen und Schüler mit Vorkenntnissen enthält jede Unterrichtseinheit eine Aufgabe für "Profis". Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen grundlegende Programmier-Techniken kennen. lernen einen Mikrocontroller (Arduino) kennen. nutzen eine Virtualisierung für Programmierzwecke (tinkercad.com). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge für die Lösung alltäglicher Aufgaben mithilfe von Elektronik. erkennen Algorithmen und ändern diese für die Lösung der Aufgaben ab. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen selbstorganisiert mit vorbereitetem Material. unterstützen sich gegebenenfalls in Partnerarbeit bei der Lösung der Aufgaben.

In dieser Unterrichtseinheit erarbeiten sich die Lernenden selbständig die Grundlagen zur Programmierung eines Mikrocontrollers und den Aufbau zugehöriger Schaltungen in Tinkercad. Tinkercad erlaubt den Aufbau, die Programmierung und die Simulation von Schaltungen mit verschiedenen Mikrocontrollern. Die Arbeitsergebnisse können vom Lehrenden eingesehen und gemeinsam bearbeitet werden. Tinkercad ist somit für den Einsatz im Distanzunterricht besonders gut geeignet. Mit diesem Arbeitsmaterial können erste einfache Programmieraufgaben in Tinkercad mit dem Arduino-Mikrocontroller durchgeführt werden (Ampelschaltung, Lichtorgel, dimmbare LED). Die Schülerinnen und Schüler lernen sowohl Sensoren als auch Aktoren kennen, die digital und analog ausgewertet beziehungsweise angesteuert werden. Die Grundlagen im Umgang mit Tinkercad sollten vorhanden sein. Für die erste Aufgabe wird der Programmcode zunächst vorgegeben und untersucht. Die Vorgaben werden in den nachfolgenden Aufgaben sukzessive verringert und die Lernenden programmieren zunehmend selbständig. Nach einer kurzen Vorstellung des Mikrocontrollers Arduino Uno und der Programmierumgebung in Tinkercad wird in der ersten Aufgabe "Hello World" zunächst der vorgegebene Code untersucht, indem ein Parameter verändert wird. Außerdem lernen die Schülerinnen und Schüler die Kommentarfunktion kennen sowie die allgemeine Struktur eines Programms. Aufbauend darauf werden beim Bau einer Ampel die digitale Ansteuerung mehrerer LEDs, das Auslesen eines Pins mit angeschlossenem Taster sowie die Ansteuerung eines Buzzers für ein Blindensignal erlernt. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der analogen Auswertung von Spannungssignalen. Ein Drehregler steuert hier die Blinkgeschwindigkeit einer LED und in der zweiten Aufgabe eine Lichtorgel. Im letzten Teil kommt dann die analoge Steuerung der Helligkeit einer LED sowie einer Farb-LED hinzu. Im Anschluss an den Kurs kann optional ein Projekt (Automatischer Teebereiter) durchgeführt werden, in dem die Lernenden ihre Kenntnisse umsetzen und erweitern können. In Meilensteinen werden die notwendigen Schritte beschrieben. Vorkenntnisse Die Lernenden benötigen keine Vorkenntnisse in Programmierung. Sie sollten aber über grundlegende Computerkenntnisse und den Umgang mit Tinkercad verfügen. Didaktisch-methodische Analyse Technik nimmt in unserem Leben einen immer höheren Stellenwert ein. Die Programmierung von Mikrocontrollern bietet hier einen einfachen Zugang und gleichzeitig motivierende Erfolgserlebnisse durch den Bau funktionierender Prototypen. Über verschiedene Stufen nähern sich die Lernenden der Programmierung des Arduino Mikrocontrollers mittels Tinkercad an. Die einzelnen Arbeitsblätter bauen aufeinander auf und sind Voraussetzung für das (optionale) Absolvieren der Lernzielkontrolle und des Projekts zum automatischen Teezubereiter. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich die Grundlagen des Programmierens. lernen den Arduino als Beispiel für einen Mikrocontroller kennen. nutzen Tinkercad, um verschiedene Schaltungen aufzubauen und zu simulieren. lernen, wie Technik (hier am Beispiel eines Teeautomats) in seinen Grundzügen funktioniert. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen den Wert des Tools Tinkercad, um reale Arduino Schaltungen zu simulieren, ohne dabei zum Beispiel LEDs bei falscher Verkabelung zu zerstören. sichern ihre Arbeitsergebnisse digital auf Tinkercad. nutzen den Computer darüber hinaus zur Recherche und zur Programmierung Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten selbstständig (gegebenenfalls mit einem Partner oder einer Partnerin) mit vorbereitetem Material.

In dieser Unterrichtseinheit zur Programmierung des Raspberry Pi lernen die Schülerinnen und Schüler, wie sie Daten mithilfe der Sense-HAT-Sensoren und einfacher Programmierbefehle erfassen, auswerten und anzeigen lassen. Sie programmieren den Astro Pi so, dass er die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebung misst. Ein AstroPi ist ein Mini-Computer, der mit der Unterstützung der UK Space Agency und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) von der Raspberry Pi Foundation entwickelt wurde. Es gibt zwei ganz besondere AstroPi-Computer: Sie heißen Ed und Izzy und wurden extra für einen Flug ins Weltall gebaut. Beide befinden sich nun auf der Internationalen Raumstation ISS und stehen Schülerinnen und Schülern zur Verfügung. In der vorliegenden Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler, den Astro Pi so zu programmieren, dass er mithilfe der Sense-HAT-Sensoren die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebung erfasst, auswertet und anzeigt. Sie simulieren das Luftfeuchte-Regelungssystem auf der ISS und erfassen Daten aus ihrer eigenen Umgebung. Darüber hinaus messen sie Beschleunigungswerte, um sich anhand des Astro Pi räumlich zu orientieren und die Richtung der Gravitation zu erfassen. Die Unterrichtsmaterialien sind Teil der Astro Pi Challenge. Durch den Wettbewerb haben Schülerinnen und Schüler die einmalige Chance, wissenschaftliche Untersuchungen im All durchzuführen, indem ihre selbstgeschriebenen Computerprogramme auf Astro Pis speziellem Raspberry Pi Computer auf der Internationalen Raumstation (ISS) ausgeführt werden. Altersgruppe: 13 bis 16 Jahre Schwierigkeitsgrad: mittel Ort: drinnen (Klassenraum) Erforderliche Materialien: Astro-Pi-Bausatz; Monitor; USB-Tastatur und USB-Maus Der Lehrerleitfaden und die zugehörigen Aufgaben, bilden den dritten Teil einer Reihe von drei Lernhilfesets, die vom ESA Education Office, der Bildungsorganisation der ESA, für die erste "European Astro Pi Challenge" entwickelt wurden. Durch das Abarbeiten der Übungen dieser Lektion in der angegebenen Reihenfolge, erlernen die Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Programmierkenntnisse, die sie zur Datenerfassung mit den Sense-HAT-Sensoren benötigen. Es wird vorausgesetzt, dass die SuS die Grundlagen von Raspberry Pi und der Programmierung mit Python kennen. Weitere Materialien vom ESA Education Office für die European Astro Pi Challenge sind: Erste Schritte mit Astro Pi – Einrichtung von Raspberry Pi und Programmierung mithilfe von Python Der Sense Hat – Einrichtung des Sense HAT und visuelle Ausgabe über die Sense-HAT-LED-Matrix Die Schülerinnen und Schüler lernen, wie sie die Sense-HAT-Sensoren über die Python-Programmiersprache steuern können. lernen, wie sie Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte mit den Sense-HAT-Sensoren erfassen können. lernen, wie man Daten darstellt und analysiert. lernen, wie man Daten auf der LED-Matrix anzeigen kann. lernen, wie sie sich mithilfe des Sense-HAT-Beschleunigungssensors räumlich orientieren können. lernen, wie sich mithilfe des Beschleunigungssensors die Richtung der Gravitation ermitteln lässt. lernen, wie man wissenschaftliche Forschung mit Computertools betreiben kann.

Diese Unterrichtseinheit führt in die Programmierung des Raspberry Pi mit Python ein. Anhand verschiedener Aufgaben werden die Schülerinnen und Schüler einen Raspberry-Pi-Computer einrichten und programmieren. Ziel ist es, erste Programmierkenntnisse zu erlangen. Ein AstroPi ist ein Mini-Computer, der mit der Unterstützung der UK Space Agency und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) von der Raspberry Pi Foundation entwickelt wurde. Es gibt zwei ganz besondere AstroPi-Computer: Sie heißen Ed und Izzy und wurden extra für einen Flug ins Weltall gebaut. Beide befinden sich nun auf der Internationalen Raumstation ISS und stehen Schülerinnen und Schülern zur Verfügung. Die vorliegende Unterrichtseinheit führt in die Programmierung des AstroPi ein: Unter Verwendung verschiedener Datenstrukturen in Python steuern die Schülerinnen und Schüler die Farben von LEDs an und erzeugen so unterschiedlich starke farbige und weiße Lichter. Im letzten Arbeitsblatt simulieren sie das System der Luftfeuchtigkeitsregulierung auf der ISS und sammeln Umgebungsdaten wie die Temperatur, die Beschleunigung der ISS und die Richtung der Schwerkraft. Die Unterrichtsmaterialien sind Teil der Astro Pi Challenge. Durch den Wettbewerb haben Schülerinnen und Schüler die einmalige Chance, wissenschaftliche Untersuchungen im All durchzuführen, indem ihre selbstgeschriebenen Computerprogramme auf Astro Pis speziellem Raspberry Pi Computer auf der Internationalen Raumstation (ISS) ausgeführt werden. Altersklasse: 10 bis 16 Jahre Fächer: Informatik, Technik, danach sind weitere Anwendungen in anderen MINT-Fächern möglich Schwierigkeitsgrad: leicht Ort: drinnen (Klassenraum) Erforderliche Materialien: AstroPi-Bausatz; Monitor, USB-Tastatur und USB-Maus Diese Unterrichtseinheit ist der erste Teil einer Reihe von drei Lernhilfe-Sets, die vom ESA Education Office, der Bildungsorganisation der ESA, und ihren Partnern für die erste "European Astro Pi Challenge" entwickelt wurden. Durch das Abarbeiten der Übungen dieser Lektion in der angegebenen Reihenfolge erlernen die Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Programmierkenntnisse, die sie für die ersten Schritte mit Raspberry Pi benötigen. Weitere Materialien, die vom ESA Education Office für die "European Astro Pi Challenge" entwickelt wurden: Der Sense Hat: Einrichtung des Sense HAT und visuelle Ausgabe über die Sense HAT-LED-Matrix Datenerfassung mit dem Astro Pi: Erfassung von Daten aus der Umgebung mithilfe von Sense-HAT-Sensoren Die Schülerinnen und Schüler lernen, was ein Raspberry Pi ist, kennen seine Hauptfunktionen und wissen, wie man ihn einrichtet und benutzt. lernen den Unterschied zwischen Hardware und Software kennen. lernen, was eine Programmiersprache ist. lernen, wie sie mit Python programmieren können. lernen, wie sie mit Eingabe- und Ausgabemeldungen, Variablen, Datentypen, "if"-Anweisungen und Schleifen umgehen müssen. lernen, wie sie mit dem Turtle-Modul von Python geometrische Formen zeichnen können.

Mit dieser Unterrichtseinheit "Berechnung eines Annuitätendarlehens" lernen angehende Bankkaufleute ein Annuitätendarlehen zu berechnen und zu erläutern. Dafür gibt es reichlich elektronische Hilfsmittel. Dennoch lohnt es sich, einen Blick auf die mathematischen Formeln zu werfen und die Programmierung einer passenden Exceltabelle selbst umzusetzen.Voraussetzung für die eigenständige Programmierung des Excelsheets durch die Schülerinnen und Schüler sind fundierte Kenntnisse in Excel. Die Materialien dienen dabei als Hilfe und detaillierte Anleitung.Mithilfe der Materialien lernen die Schülerinnen und Schüler Schritt für Schritt die Programmierung der Excel-Tabelle. Aufgrund der großen Komplexität der hier vorgestellten Programmierung ist die Möglichkeit der selbstständigen Erarbeitung durch die Schülerinnen und Schüler abhängig von ihren Vorkenntnissen in Excel.Die Schülerinnen und Schüler lernen die betriebswirtschaftlichen Grundlagen eines Annuitätendarlehens kennen. lernen die hinter den Berechnungen liegenden Formeln und wenden diese an. vollziehen die Berechnungen eines Tilgungsplanes auf jährlicher Basis nach und rechnen selbst. programmieren ein Excel-Sheet, welches die maßgeblichen Größen inklusive des Effektivzinses errechnet, und lernen dabei Grundlagen der Makro-Aufzeichnung kennen. Der vorgeschlagene Unterrichtsablauf dient hier als Beispiel für die Einsatzmöglichkeiten der Unterrichtsmaterialien. Die Anleitung und das Merkblatt können sowohl die Erarbeitungsphase begleiten, als auch zur Ergebnissicherung dienen. Nutzung Excel-Sheet Annuitätendarlehen Herzlichen Glückwunsch für die gelungenen Materialien! Zwar bin ich kein Lehrer, trotzdem waren mir die Hinweise, insbesondere die didaktisch tolle Anleitung eine große Hilfe für meine Arbeit. Ich werde nun wohl öfter mal unter lehrer-online stöbern. MfG, Katrin Jonas Annuitätendarlehen Fundiertes Wissen, vorgegebener Rahmen zum Einsetzen der eigenen Zahlen .. Wirklich prima, das habe ich lange gesucht. Herzliche Dank dem Author ! Joachim Traub

Auch in dieser Unterrichtseinheit lösen die Schülerinnen und Schüler mithilfe der Entwicklungsumgebung Delphi, die sie bereits selbstständig erkundet haben, im Modellunternehmen Info Tec GmbH ein betriebswirtschaftliches Problem.Die Stunde basiert auf einer betrieblichen Handlungssituation im Modellunternehmen Info Tec GmbH. Die Schülerinnen und Schüler befinden sich wieder in der Situation, als Programmierer ein betriebswirtschaftliches Problem zu lösen. Die Lernenden greifen dazu auf die Entwicklungsumgebung von Delphi zurück, die sie bereits selbstständig erkundet haben. Sie lernen dabei sukzessive Komponenten und Ereignisse kennen. Um ihre Fertigkeiten zu entwickeln, sollen sie selbstständig Mitschriften anfertigen, die Merksätze zur Programmierung sowie wichtige Informationen in tabellarischen Übersichten (Objekt, Eigenschaft, Reaktion, Ereignisse und Reaktionen, Übersicht von Eigenschaften et cetera) beinhalten, um beim Programmieren eine Gedächtnisstütze zu haben. Die Lernenden sind in der heutigen Stunde mit einer betrieblichen Situation konfrontiert, in der für eine Problemstellung eine Problemlösung zu erarbeiten ist, bei der bis dato unbekannte Befehle (Case-Anweisung) sinnvoll einzusetzen sind.Die Stunde basiert auf didaktischen Prinzipien der Handlungsorientierung sowie dem Prinzip des eigenverantwortlichen Arbeitens und Lernens (EVA). Entsprechend den Fähigkeiten sind die selbstständigen Erarbeitungsprozesse ergänzt um die Vorgabe notwendiger Fachinhalte. Als didaktische Elemente der Informatik liegt dem Unterricht eine Kombination aus programmiersprachlichem Zugang und einem Zugang über die Lern- und Programmierumgebung (Objektorientierung) zugrunde. Fortsetzung des Kommentars Das Prinzip der Schülerselbsttätigkeit ist Ziel, wird aber auf die aktuelle Leistungsfähigkeit abgestimmt. Unterrichtsverlauf und Arbeitsaufträge Hier finden Sie eine detaillierte Übersicht über den Unterrichtsverlauf und den Einsatz der Materialien. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre kognitive Kompetenz, indem sie auf Basis unterschiedlicher Leittexte erarbeiten, wie Fallunterscheidungen in einem Programm mit einer bestimmten Syntax lösbar sind. sensibilisieren sich dafür, eine bestimmte Syntax zur Umsetzung von Auswahlstrukturen im Rahmen von Problemstellungen sinnvoll einzusetzen. wenden Fachwissen aufgabenbezogen an, das in unterschiedlichen betrieblichen Kontexten von Bedeutung ist (Zinsstaffel, Rabattsystem, Boni et cetera) trainieren ihre Anwendungskompetenz, indem sie das allgemeine Vorgehen zur Problemlösung mittels Algorithmen einsetzen. festigen ihre Anwendungskompetenz im Hinblick auf den Umgang mit einer objektorientierten Entwicklungsumgebung sowie der Erstellung von Struktogrammen. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler schulen ihr Textverständnis, indem sie Informationen selektieren und strukturieren. erweitern ihre IT-Methodenkompetenz, indem sie Problemstellungen analysieren, mittels Editor als Struktogramm abbilden und mithilfe einer Programmiersprache realisieren. entwickeln ihre Selbsterschließungskompetenz, denn sie ist aufgefordert, im Rahmen des Lernarragements eine Problemlösung zu erarbeiten. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler fördern durch Präsentation und Diskussion der Arbeitsergebnisse personale Kompetenzen wie Ausdrucksfähigkeit, freies Sprechen und Auftreten in einer Gruppe. Thema Die Verwendung der Case-Anweisung zur Lösung eines betriebswirtschaftlichen Problems in Delphi. Autor Christoph Dolzanski Fach Datenverarbeitung, Lernbereich: Algorithmen und Datenstrukturen, elementare Kontrollstrukturen (Verzweigung und Auswahl) codieren Zielgruppe Wirtschaftsgymnasium Jahrgangsstufe 12, Höhere Berufsfachschule Datenverarbeitung, Berufsschule Zeitrahmen mindestens 2 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen PC, Beamer, MS-Word, Delphi-Entwicklungsumgebung, Struktogrammeditor (Strukted32), Internet-Zugang für Recherchen bei Bedarf Planung Verlaufsplan Die Verwendung der Case-Anweisung Weitgehende Selbstständigkeit ermöglichen Um den individuellen Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler zu entsprechen, sind die selbstständigen Erarbeitungsprozesse ergänzt um die Vorgabe notwendiger Fachinhalte. Das Prinzip der Schülerselbsttätigkeit ist Ziel, wird aber auf die aktuelle Leistungsfähigkeit abgestimmt. Programmiersprachlicher Zugang Als didaktische Elemente der Informatik liegen dem Unterricht eine Kombination aus programmiersprachlichem Zugang und einem Zugang über die Lern- und Programmierumgebung (Objektorientierung) zugrunde. Dem programmiersprachlichen Zugang entsprechend werden zunächst einfache und dann komplexere Sprachstrukturen eingeführt. Die gewählten Problemstellungen sind einfach. Sie bedürfen einer geringen Modellbildung, so dass die analytischen Fertigkeiten nicht überfordert werden. Dadurch entsteht der Nachteil, dass die praktische Relevanz der Aufgabenstellung geringer ausgeprägt ist und Sprachkenntnisse "auf Vorrat" erworben werden ("totes Wissen"). Vorteil des Vorgehens ist eine systematische Unterrichtsgliederung sowie ein erleichterter Zugang für die Schülerinnen und Schüler, die das schrittweise Erlernen aus dem Fremdsprachenunterricht kennen. Objektorientierung Der Rückgriff auf Merkmale des lern- und programmierumgebungsbezogenen Zugangs ist logische Konsequenz der objektorientierten Entwicklungsumgebung. Sie erlaubt die Verwendung von Objekten und Operatoren, die im Sinne eines Baukastens bereits als Elemente vorhanden und verwendbar sind. Die Codierung steht am Ende der Programmentwicklung. Unterstützung durch die Lehrkraft Das Vorgehen orientiert sich in starkem Maß an den kognitiven Voraussetzungen der Lernenden. Durch die Verwendung vorhandener Komponenten entstehen leistungsfähige Programme mit professionellem Aussehen, die Erfolgserlebnisse gewährleisten. Dabei ist der Nachteil, dass die Tiefe der vermittelten Informatikkenntnisse beschränkt bleibt, für die fokussierten Lerngruppen vertretbar. Das Problem unterschiedlicher Vorkenntnisse kann teilweise gelöst werden. Durch das Wirken der Lernenden als Lernbegleiter ist dieser Tatbestand abgemildert. Insbesondere die Tatsache, dass sich diese Form der Programmierung harmonisch mit den elementaren kognitiven Prozessen beim Denken, Erkennen und Problemlösen im menschlichen Gehirn vereinbaren lässt, spricht für das Vorgehen. Die auftretenden Schwierigkeiten bieten die Möglichkeit, gezielt Fragen aufzuwerten und sich damit auf dem Weg zur selbstgesteuerten und selbstverantwortlichen Informationsaufnahme zu entwickeln. Die Schülerinnen und Schüler sind für ihren Lernprozess verantwortlich und bestimmen in den Arbeitsphasen individuell ihr Lerntempo. Die Lernenden sind mit einer betrieblichen Handlungssituation konfrontiert, für die sie eigenständig eine Problemlösung erarbeiten. Erster Schritt des Handlungsmodells Die Schülerinnen und Schüler versetzen sich in eine betriebliche Handlungssituation, in der sie als Programmierer in einem bekannten Betrieb tätig sind. Die Vorstellung, auch bei schönstem Wetter intensiv arbeiten zu müssen, wird die Lernenden stören. Das Vorgehen ist geeignet, in der Unterrichtseröffnung die Lernbereitschaft der Schülerinnen und Schüler zu aktivieren. Sie werden im Sinne einer Problementfaltung dafür sensibilisiert, dass programmgestützte Werkzeuge zur Erledigung betrieblicher Aufgaben hilfreich sind. Zweiter Schritt des Handlungsmodells Die Partnerteams erhalten ihre Arbeitsaufträge und suchen und erproben geeignete Lösungen. Zunächst befasst sich jeder mit der Aufgabenstellung und den Informationen. Durch Diskussion der Vorgehensweise und der Lösungen im Team sowie dem Hinweis auf unterstützende Informationen werden Unsicherheiten reduziert und kreative Lösungen gefördert. Auftretende Schwierigkeiten und Fragen können festgehalten und im Plenum geklärt werden. In dieser Phase sind die Lernenden stark auf sich gestellt. Das Erleben von Unsicherheiten und Schwierigkeiten ist ein wichtiger Lernanlass, der nicht durch zu frühes Eingreifen verhindert werden soll. Wenn ein Team nicht mehr weiter weiß, kann der Lehrer in dieser Phase aktiv eingreifen und weitere Informationen zur Verfügung stellen. Dritter Schritt des Handlungsmodells Die Problemstellung wird im Plenum präsentiert. Es bietet sich an, zwei Teams die Ergebnisse vorstellen zu lassen. Die anderen Teams fungieren dann als Kontrollgruppen, die entsprechende Ergänzungen anbringen. Fragen und Schwierigkeiten beim Lösen der Problemstellungen können in diesem Schritt geklärt werden. Vierter Schritt des Handlungsmodells Auf Basis der gemachten Erfahrungen und der erworbenen Fähigkeiten werden Merkmale für das zielorientierte Vorgehen bei der Lösung der Problemstellung herausgearbeitet. Dabei steht das Festhalten von Kriterien, die der Vermeidung von Fehlern dienen, vor dem Anspruch auf Vollständigkeit der Handlungsanweisung. Diese Aufzeichnung kann dann bei nachfolgenden Aufgabenstellungen ergänzt und angepasst werden. Fünfter Schritt des Handlungsmodells Im fünften Schritt geht es darum, die gewonnenen Einsichten in praxisbezogenen Kontexten umzusetzen. Dies soll in einer folgenden Unterrichtsstunde aufgegriffen werden. Die Lernenden erhalten auf Basis der Handlungssituation dieser Unterrichtseinheit eine weitere Problemstellung, die sie in Delphi umsetzen. Der betriebswirtschaftliche Hintergrund der Fragestellung erlaubt einen Perspektivenwechsel und ermöglicht es, den fachübergreifenden Aspekt des Themas aufzugreifen.

In dieser Unterrichtseinheit für das Fach Informatik sollen die Schülerinnen und Schüler ihre zuvor erworbenen Kenntnisse von Algorithmen am Beispiel eines LED Cube üben und festigen. Ziel ist, dass die Lernenden die Programmierung von Animationen des Cube durchschauen und nachvollziehen beziehungsweise eigene Animationen kreieren können.Das Phänomen der 3D-LED Cubes geistert schon lange durch das Internet - speziell auf Video-Plattformen werden viele Cube-Videos angeboten und begeistern vor allem Jugendliche. Beim Anschauen dieser Videos kann also der Wunsch aufkommen, solch einen Cube selbst zu programmieren. Solche realen LED Cubes sind jedoch in der Regel kompliziert aufzubauen und nicht ganz einfach anzusteuern. Der Autor dieser Unterrichtseinheit hat ein Programm entwickelt, mit dem das einfach möglich ist.Informatik-Themen können recht trocken sein und sollten deshalb möglichst anschaulich und motivierend gestaltet werden. Es bietet sich zum Beispiel an, in das Thema "Modell - Algorithmus - Lösung" mit einer Unterrichtseinheit zum programmierbaren Roboterarm einzusteigen und die LED Cube-Unterrichtseinheit anzuschließen. Das entsprechende Programm 5x5x5_LED_Cube.exe wurde vom Autor dieser Unterrichtseinheit, Jens Tiburski, unter Verwendung der Programmiersprache OGLBasic programmiert, einer Basic-Variante, die auf die Programmierung mithilfe der Open Graphic Library zugeschnitten ist. Umsetzung der Unterrichtseinheit "LED-Cube" Hier erhalten Sie detaillierte Anregungen zur Arbeit mit dem Programm 5x5x5_LED_Cube.exe im Informatik-Unterricht. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden ihre Kenntnisse zur sequentiellen Programmierung auf eine neue Umgebung an. übertragen ihre Kenntnisse zum Problemlöseprozess auf selbstständiges Lösen einfacher Probleme. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln in einer neuen Arbeitsumgebung (das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe) bekannte Lösungsstrategien und arbeiten dabei mit Excel. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln nach Möglichkeit in Partnerarbeit Ideen für ansprechende Animationen. erstellen im Idealfall Animationen zur Verwendung auf der Schulhomepage oder ähnlichem. Motivation und Einstieg Um die Schülerinnen und Schüler für die Arbeit mit LED Cubes zu motivieren, können Sie zunächst ein paar entsprechende Videos zeigen, die zum Beispiel auf der Videoplattform YouTube vorgeführt werden. Die LED-Cubes, die Sie dort sehen, sind kompliziert aufzubauen und auch nicht ganz einfach anzusteuern. Leichter zu handhaben ist da das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe, welches auf einer 5x5x5-Matrix frei programmierbare Animationen erlaubt. Dieses wurde vom Autor Jens Tiburski selbst programmiert. Nachdem Sie Ihren Schülerinnen und Schülern das Programm zur Verfügung gestellt haben, sollen diese einige der vorbereiteten Beispiele ausprobieren. Die Bedienung des Programmes ist selbsterklärend. Nach dem Start erfolgt die Aufforderung, eine Datei auszuwählen. Im Ordner des Programms sind einige Beispiele zu finden. Tastaturbelegung Nach dem Einlesen der Daten erscheint der Informationsbildschirm, der darüber informiert, wie viele Frames eingelesen wurden. Ferner wird die Tastaturbelegung erklärt: FrameRate: +/- Rotieren: Cursor-Tasten Zoomen: PageUp/PageDown AutoSpin: R(echts), L(inks) und S(topp) Beenden: Escape Zentrale Fragestellungen Schnell erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass ein unverzweigter Algorithmus abgearbeitet wird. Das führt unweigerlich zu der Frage, wie solche Animationen selbst erstellt werden können. Somit ergeben sich zwei Ebenen, die den Cube für den Informatikunterricht interessant machen: 1. Wie wurde der Cube programmiert? und 2. Wie kann man die Animationen selbst programmieren? Quellcode Das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe wurde von Jens Tiburski unter Verwendung der Programmiersprache OGLBasic programmiert, einer Basic-Variante, die auf die Programmierung mithilfe der Open Graphic Library zugeschnitten ist. Deshalb ist der Quellcode relativ einfach nachzuvollziehen. Das Programm ist unter dem Namen 5x5x5_LED_Cube.ogl abgelegt und kann mit jedem Text-Editor eingesehen werden. Ein Blick in den Quelltext zeigt den in der Abbildung dargestellten Aufbau. Nach der Variablen-Deklaration steht die Prozedur "DrawGLScene". In dieser Prozedur erfolgt das eigentliche Aufbauen der 3D-Scene - und somit der größte Unterschied zum herkömmlichen Basic. Dort geschieht jedoch nichts Geheimnisvolles, sondern die 125 LEDs (Spheren) werden positioniert. Bedeutung der Befehle Der Move-Befehl bewegt die Scene an die Stelle, an der ein Objekt eingefügt wird (ausgehend vom Punkt Origin, beziehungsweise dem letzten Move-Befehl). Der Color-Befehl gibt die Farbe des Objektes in RGB vor - die vierte Angabe steht für die Transparenz. Der Befehl Sphehre erzeugt nun eine Kugel mit dem Radius Farbe_LED![i] sowie je zehn Segmenten und Schichten. Geübte Programmierer erkennen, dass über die Area-Variable Farbe_LED![i] sowohl die Farbe, als auch der Radius geändert werden können. Zeilenweise Interpretation In den Zeilen 545 bis 560 wird nun ein Text-Dokument geöffnet und der Inhalt in ein eindimensionales Area Farbe![Farbzähler%] eingelesen. Beim Einlesen der Daten wird die Text-Datei geöffnet und zeilenweise interpretiert. Dabei werden von jeder Zeile nur die ersten fünf Zeichen eingelesen. Alles, was dahinter kommt, wird abgeschnitten. Verfügbare Zeichenanzahl Pro Frame werden 125 Zeichen (also 5 x 5 x 5 Zeichen oder 25 Zeilen) in ein eindimensionales Area eingelesen. Da das Area auf circa 16.2000 Elemente beschränkt ist, können somit 1.296 Frames eingelesen werden. Also reichlich Platz für gute Ideen. Nachdem die Dateneingabe erfolgt ist, wird im Startbildschirm die Anzahl der eingelesenen Frames sowie die Tastatur-Belegung angezeigt. Mit WaitInput wird auf eine beliebige Eingabe über Maus oder Tastatur gewartet. Danach erfolgt das Anzeigen der Scene. Drei ineinander geschachtelte Schleifen bilden das eigentliche Hauptprogramm. Die äußerste Schleife wird beendet, wenn der User die Escape-Taste drückt und somit das Programm beendet. Die mittlere Schleife wird so oft ausgeführt, wie Frames eingelesen wurden. Die innerste Schleife weist jetzt jeder der 125 LEDs Farbe_LED![i] einen Wert aus dem Area Farbe![Farbzähler%] zu. Wenn jede LED einen Farbwert hat, wird die Scene gerendert und am Bildschirm angezeigt. Dazu wird in Zeile 618 die Prozedur DrawGLScene() aufgerufen. Interpretation der Text-Beispieldateien Ein Blick in die beigefügten Text-Beispieldateien zeigt, dass die Informationen in Zeilen zu jeweils fünf Zeichen abgelegt sind. Naheliegend ist, dass jeweils eine Zeile an Zeichen auch eine Reihe an LEDs interpretiert, wobei das Zeichen "1" für "LED an" und das Zeichen "0" für "LED aus" steht. Also ergeben fünf Zeilen eine Ebene und fünf Ebenen den gesamten Cube. Insgesamt 125 Zeichen (25 Zeilen) bilden also einen Frame der Animation. Testphase Nun beginnt die Phase des Testens: Welches Zeichen steht für oben links oder für unten rechts oder für die Mitte? Nach einigen Minuten des Probierens kristallisiert sich sicher heraus, dass die obersten fünf Zeilen die Grundebene darstellen und somit das Einlesen der Informationen "kopfüber" erfolgt. Dies sowie die fehlende Strukturierung der Daten macht das Erstellen eigener Animationen aber nicht gerade leichter. Excel-Mappe als Frameeditor Abhilfe schafft dann eine Excel-Mappe, die als Frameeditor dienen soll und mit ein wenig Übung die Programmierung anspruchsvoller Abläufe gestattet. Die fünf Ebenen des Würfels sind rot dargestellt. Wird in diese rot markierten Zellen der Wert "1" eingegeben, überträgt Excel diesen Wert an die richtige Stelle in der Datenreihe und fasst fünf nebeneinanderliegende Zellen zur linken Spalte zusammen. Durch Kopieren und Einfügen können beliebig viele Frames in eine Excel-Mappe aufgenommen werden. Durch Kopieren und Einfügen von Werten kann auch innerhalb eines Frames ebenenweise kopiert werden. An dieser Stelle kann gern noch einmal auf Excel-Funktionen wie Zellenwertübergabe oder Zellenwertvereinigung eingegangen werden. Speichern der Excel-Datei Die fertige Excel-Datei kann zur weiteren Verwendung abgespeichert werden. Nun muss die Excel-Datei auch noch als txt-Datei abgespeichert werden (Datei danach schließen, da der Zugriff sonst blockiert ist!). Noch einmal zur Erinnerung: Nur die ersten fünf Zeichen einer Zeile werden vom Programm eingelesen. Somit kann die als txt gespeicherte Excel-Datei zur Eingabe verwendet werden, obwohl sie über mehr Zeichen verfügt, als für die Animation notwendig sind. Alternativ kann auch nur der Inhalt der linken Spalte kopiert und in ein Text-Dokument eingefügt werden. Das spart Speicherplatz und man kann einzelne Inhalte problemlos zusammenfügen. Einsatz in Klasse 8 In dieser Unterrichtseinheit sollen die Schülerinnen und Schüler ihre zuvor erworbenen Kenntnisse von Algorithmen üben und festigen. Deshalb bietet es sich an, diese Doppelstunde am Ende des Lernbereichs 2, "Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung" der Klassenstufe 8 einzusetzen. Animierte Schriftzüge am Beispiel von Lehrer-Online Falls Ihre Schülerinnen und Schüler einen Schriftzug animieren möchten, hier ein Beispiel: Die Datei Bsp_06_lehrer-online.txt zeigt den Schriftzug LEHRER-ONLINE als Animation. Video zur Beispiel-Animation