Arduino Lichtschranke: vom Design über die Programmierung zur Messung

Unterrichtseinheit

Messen bedeutet für Schülerinnen und Schüler häufig nur noch einen Wert von einem Display abzulesen. Wie dieser Wert entsteht, bleibt in der Blackbox verborgen. Diese Unterrichtseinheit ist so konzipiert, dass Schülerinnen und Schüler in eine Blackbox hineinsehen, indem sie eigenständig ein Messinstrument bauen: Mit einem Mikrocontroller realisieren sie eine Lichtschranke und führen dann mit dieser eigenständig Experimente durch. Hierbei steht die Vermittlung grundlegender Kenntnisse im Bereich Programmierung und Datenerfassung gleichberechtigt neben der Bearbeitung physikalischer Fragestellungen zum Pendel.

  • Physik / Astronomie / Informatik / Wirtschaftsinformatik / Computer, Internet & Co.
  • Sekundarstufe II
  • 3 bis 4 Phasen mit circa 6 Unterrichsstunden
  • Arbeitsblatt, Experiment, kooperatives Lernen
  • 1 Arbeitsmaterial

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Bei physikalischen Messungen kommen heutzutage vor allem digitale Messwerterfassungssysteme zum Einsatz. Ziel der Unterrichtseinheit ist daher, Schülerinnen und Schülern einen Einblick in die Funktionsweise derartiger Systeme zu geben. Konkret sollen sie erlernen, mit einem Arduino eine Lichtschranke zu bauen und diese in Pendelexperimenten einzusetzen.

Der Arduino ist ein Mikrocontroller, das heißt ein Kleinstcomputer, der über eine frei verfügbare Software vergleichsweise einfach zu programmieren ist. Der Arduino selbst bietet eine Reihe an Schnittstellen und Sensoren; darüber hinaus können weitere externe Sensoren angeschlossen werden. Damit eignet er sich, anwendungsnahe Steuerungs- und Regelungsaufgaben umzusetzen.

Alle Materialien finden Sie unten gebündelt in einer ZIP-Datei zum Download.

Die Unterrichtseinheit ist in drei Phasen gegliedert. Zudem kann eine vierte optionale Lernphase genutzt werden. In Phase 1 wird das Ziel der Einheit präsentiert, also die Steuerung einer Lichtschranke in Pendelexperimenten mit dem Arduino. Anschließend erarbeiten die Schülerinnen und Schüler, welche Schritte dazu notwendig sind beziehungsweise welche Fragen auf dem Weg dorthin geklärt werden müssen. Es folgt eine Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit der Programmierung des Arduino (unter anderem Programmstruktur verstehen und verändern).

Phase 2 fokussiert dann die Nutzung des Arduino zur Messwerterfassung. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln Schritt für Schritt eine Lichtschranke und erarbeiten, welche Signale erfasst werden, wie eine Messung optimiert werden kann und wie die Messwerte gespeichert werden können.

In Phase 3 kommt die entwickelte Lichtschranke und die erarbeiteten Erkenntnisse nun in einem klassischen physikalischen Experiment zum Einsatz: In drei Versuchsreihen sollen die Schülerinnen und Schüler den Einfluss von anfänglicher Amplitude, Fadenlänge und Masse eines Fadenpendels auf dessen Periodendauer untersuchen – unter Zuhilfenahme der vorab entwickelten Lichtschranke.

Die optionale Phase 4 dient als Sicherungsphase und kann unterschiedlich gestaltet werden. So können beispielsweise die Codes von den Schülerinnen und Schülern kommentiert und miteinander verglichen werden oder es könnten Poster oder Präsentationen erstellt werden, in denen die Schülerinnen und Schüler ihre Vorgehensweisen dem Klassenverband vorstellen. Diese Phase bietet sich auch an, um mit den Schülerinnen und Schülern auf einer motivational-affektiven Ebene zu reflektieren, zum Beispiel welche Aha-Erlebnisse sie hatten oder inwieweit sie Selbstvertrauen in die eigenen Programmierfähigkeiten aufbauen konnten. Grundsätzlich lässt sich diese Lerneinheit auch einsetzen, um in die Arbeit mit dem Messsystem Laborino einzuführen.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Didaktisch-methodischer Kommentar

Je nach Kenntnisstand der Schülerinnen und Schüler sollten Lehrkräfte darauf vorbereitet sein, grundlegende Begriffe der Programmierung (zum Beispiel Variable, Bibliothek et cetera) zu erläutern beziehungsweise eine entsprechende Unterrichtseinheit vorzuschalten (hier gibt es beispielweise digitale Ressourcen, die in die Grundlagen des Arduino einführen und beispielsweise als vorbereitende Hausaufgabe bearbeitet werden könnten). Um Strategien der Problemlösung zu vermitteln, bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler – sollten sie bei ihrer Programmierung auf Probleme oder Unklarheiten stoßen – eine Internetrecherche durchführen zu lassen. Da die Software des Arduino kostenfrei ist, gibt es einige Foren, in denen Probleme mit Codes diskutiert werden oder auch frei verfügbare Beispielcodes, die die Schülerinnen und Schüler für ihre Zwecke anpassen können.

Als physikalischer Anwendungskontext wurde das Fadenpendel gewählt, das ein Standardthema im Physikunterricht darstellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die physikalischen Grundlagen des Fadenpendels bereits behandelt wurden, um den Fokus klar auf das Verständnis der Funktionsweise digitaler Messwerterfassungssysteme legen zu können. Die Materialien zu Phase 3 beinhalten entsprechend eine Infobox zum Wiederauffrischen des Fadenpendels. Es ist davon auszugehen, dass dennoch einige Schülerinnen und Schüler intuitiv von einer Abhängigkeit der Periodendauer mit der anfänglichen Auslenkung beziehungsweise der Masse ausgehen. Dies sollte durch die Lehrkraft entsprechend begleitet werden.

Diese Unterrichtseinheit ist – vor allem durch die Länge der einzelnen Phasen – eher für den Einsatz im Rahmen einer Projektwoche geeignet, sodass die Schülerinnen und Schüler sich jeweils einen Tag mit einer Phase auseinandersetzen können. Es ist allerdings auch denkbar, die Aufträge in den vier Phasen jeweils so in kleinere Teile zu splitten, dass sie über mehrere Wochen hinweg in 45- oder 90-Minuten-Einheiten bearbeitet werden können. Durch die Verbindung von Grundlagen der Programmierung mit einem physikalischen Kontext ist darüber hinaus die Einheit geeignet für ein fachübergreifendes Projekt zwischen Physik- und Informatikunterricht.

Grundsätzlich können die Aufgaben alle in Einzelarbeit bearbeitet werden. Um jedoch auch soziale Kompetenzen, Teamarbeit und das gemeinsame, kreative Problemlösen zu fördern, bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler in Gruppen arbeiten zu lassen und auch einen Austausch über Gruppen hinweg zuzulassen.

Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell)

Ein zentrales Lernziel für die Schülerinnen und Schüler ist es, Grundlagen der Programmierung kennenzulernen und dabei auch eine eventuell vorhandene Scheu gegenüber informatischen Aufgaben abzubauen. Der Kontext digitaler Messwerterfassungssysteme ermöglicht ihnen darüber hinaus, die Grundlagen derartiger Systeme zu durchdringen. Entsprechend sollten Lehrende für die Durchführung der Einheit selbst Kompetenzen im Bereich der Programmierung (6.3 Erstellung digitaler Inhalte) und des Problemlösens (6.5 Digitales Problemlösen) mitbringen. Sofern diese nicht vorhanden sind, müssten sie im Rahmen von Fortbildungen erworben werden (1.4 Digitale Weiterbildung).

Um die Schülerinnen und Schüler angemessen durch die Lerneinheit begleiten zu können, sind pädagogisch-didaktische Kompetenzen nötig, die den einzelnen Schülerinnen und Schülern selbstreguliertes Lernen (3.4 Selbstgesteuertes Lernen) und damit Kompetenzerleben ermöglichen (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden), um deren Selbstvertrauen in ihre Programmierfähigkeiten zu stärken, auch wenn diese bislang nur sehr gering ausgeprägt sein sollten (5.2 Differenzierung und Individualisierung).

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Unterrichtsmaterial "Arduino Lichtschranke" zum Download

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • bauen Versuchsanordnungen auch unter Verwendung von digitalen Messwerterfassungssystemen nach Anleitungen auf, führen Experimente durch und protokollieren ihre Beobachtungen.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • kennen und verstehen Funktionsweisen und grundlegende Prinzipien der digitalen Welt.
  • erkennen und formulieren algorithmische Strukturen in genutzten digitalen Tools.
  • planen und verwenden eine strukturierte, algorithmische Sequenz zur Lösung eines Problems.

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • erwerben Selbstvertrauen bezüglich ihrer Programmierfähigkeiten beziehungsweise bauen Hemmungen gegenüber informatischen oder technischen Aufgabenstellungen ab.
  • arbeiten im Team.

21st Century Skills

Die Schülerinnen und Schüler

  • lösen kreativ Probleme.
  • erlangen grundlegende Kompetenzen zum Aufbau von Technological Literacy.
  • bauen ihre Resilienz in Problemlöseprozessen aus.

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Jasmin Andersen, Dietmar Block und Irene Neumann

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Die Zukunft des MINT-Lernens

Die Materialien sind im Projekt "Die Zukunft des MINT-Lernens" der Deutsche Telekom Stiftung entstanden.