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InfoSphere-Modul: Technische Informatik als Verzahnung von Informatik und Elektrotechnik

 
Staatsexamensarbeit
Thomas Friese, Thomas Roffmann

Zusammenfassung/Abstract

Die technische Informatik ist neben der theoretischen und der praktischen Informatik eine der 3 wesentlichen Facetten der Kerninformatik und bildet das Bindeglied zwischen der Informatik und Inhalten aus der Elektrotechnik und der Physik. Da gerade dieser Bereich oft zu kurz kommt, informationstechnische Grundbildung neben Aspekten der Software aber auch immer Aspekte der Hardware, auf denen die Software ausgeführt werden soll, berücksichtigen muss, rückt die Verzahnung der jeweiligen Inhalte in den Focus dieser Staatsarbeit. Dabei wird einfach und alltagsnah die grundsätzliche Funktionsweise elektronsicher Bauelemente beleuchtet und selbstständig von den Schülerinnen und Schülern erarbeitet, die Abstraktion von der Hardwareebende auf logische Schaltungen und Gatter geleistet, bis letztlich eine Idee der Wirkungsweise elektronischer Baudelemente in einem integrierten Schaltkreis gewonnen wurde, um auf Basis eines Mikrocontrollers, stellvertretend für einen besonderen integrierten Schaltkreis, eigene Software zu entwerfen und zu implementieren.

 

Hintergrund

 
Mikrocontroller oder auch SoCs (System on a chip) sind die „Schweizer Taschenmesser“ des digitalen Zeitalters. Wurden noch zu Anfang des Computerzeitalters für jedes Problem eigene Schaltungen, sogenannte special purpose Systeme realisiert, bieten moderne Mikrocontroller als ein general purpose System die Möglichkeit, anhand von Software die Funktion des Bauelements an seine Aufgaben anzupassen. So stecken heutzutage beinahe in jedem modernen elektronischen Gerät wie Kaffeemaschinen, Waschmaschinen und sogar in einfachen Radioweckern Mikrocontroller. Mit diesen lassen sich integrierte Schaltungen realisieren, Messdaten von Sensoren aufnehmen und auswerten und Prozessabläufe steuern. Durch die hohe Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Aufgaben ist man in der Lage, eine hohe Anzahl kostengünstig zu produzieren und abzusetzen. So können viele Standardcontroller zum Teil deutlich unter einem Euro erworben werden.
Auf Grund des Durchbruchs von Mikrocontrollern und der hohen Relevanz im Alltag aller Menschen ist es wichtig, Schülerinnen und Schülern im Rahmen einer physikalisch-informationstechnischen Ausbildung die Grundidee der programmierbaren digitalen „Heinzelmännchen“ näherzubringen. Dabei bietet sich durch die Möglichkeit des eigenen Erkundens und der dadurch gegebenen möglichen explorativen Lernform eine moderne und schülernahe Behandlung der fächerübergreifenden Inhalte aus dem Bereich Physik, Elektrotechnik und Informatik in Form eines Tages im Schülerlabor Infosphere an. Die Schülerinnen und Schüler können selbst und praxisnah Informatik erleben. Sie formalisieren Handlungsanweisungen und übersetzen diese in eine für einen Mikrocontroller verständliche Sprache. Der praktische Nutzen der eigenen Softwareimplementierung lässt sich sofort an der Reaktion des Controllers erfahren, ein Nutzen der innerhalb des Informatikunterrichts an Schulen leider oftmals auf die Theorieebene beschränkt bleiben muss.

 

Aufgabenstellung

Ziel der ersten Phase dieses Moduls ist es, den Schülerinnen und Schülern die grundsätzliche Funktionsweise von Mikrocontrollern und allgemein von integrierten Schaltungen näherzubringen. Dabei wird besonderer Wert darauf gelegt, dass die Schülerinnen und Schüler nicht nur einfach anwenden, also einen Mikrocontroller als Black-Box sehen und diesen nur programmieren, sondern eine Ahnung davon bekommen, wie es im „Inneren“ einer integrierten Schaltung aussieht. Ein ganzheitlicher Ansatz soll dabei die Möglichkeiten, die das Schülerlabor bietet also u.a. ein zusammenhängender Zeitblock, eine Fülle von Materialien, eine sehr gute technische Ausstattung und den vorhandenen Platz für verschiedene Sozialformen ausschöpfen. Im regulären Schulunterricht ist dies, wenn überhaupt, meist nur im Rahmen einer Projektwoche realisierbar. Handlungsorientiert und auf Basis explorativer Lernformen erkunden die Schülerinnen und Schüler selbstständig die Funktion grundlegender elektronischer Bauelemente wie den elektrischen Widerstand, eine Diode, einen Kondensator und einen Transistor. Dafür steht ein speziell angefertigtes, auf Druckluft und Plastikkügelchen, welche die elektrische Ladung simulieren, basierendes Plexiglas Modell zur Verfügung, welches eigens für dieses Modul entworfen und mit einem Lasercutter geschnitten wurde. Zu jedem dieser Bauelemente existiert eine Lernstation, welche im Rotationsprinzip von den Schülerinnen und Schülern besucht werden. Dort finden sie Elektronikkästen und Multimeter um einfache Schaltungen aufzubauen (Stromkreis mit LED und Vorwiderstand, Dämmerungsschalter mit einem Transistor u.ä.), Alltagsgegenstände mit zu den elektronischen Bauelementen analogen Funktionen (Diode – Rückschlagventil) und Laptops, um die auf einem Moodle-Kurs basierenden Selbstlerneinheiten durchzuführen. Schließlich führt die aufzubauende Transistorschaltung zur Funktionsweise eines logischen Inverters und leicht abgewandelt zu den NAND- und NOR Gattern. Anhand der freien Simulationssoftware LogikSim erstellen die Schülerinnen und Schüler logische Schaltungen bis hin zu einem 4-Bit-Volladdierer, dabei werden sie durch selbsterstellte Videotutorials, welche in den Elearningkurs eingebettet wurden, unterstützt.
Nach der Durchführung der ersten Phase (etwa 4h Zeitumfang) können die Schülerinnen und Schüler mit der 2. Phase beginnen. Dabei können beide Phasen als vollkommen selbständige Module betrachtet und getrennt voneinander an zwei Vormittagen oder auch an einem Tag als zusammenhängendes Modul durchgeführt werden.

Die 2. Phase beschäftigt sich im Folgenden primär mit der Softwareentwicklung für einen, auf der Arduino-Plattform basierenden, Mikrocontroller. Motivierendes Abschlussziel dieser Phase ist die hard- und softwaretechnische Realisation eines bewegungsgesteuerten Gamecontrollers (ähnlich einem Nintendo Wii Controller). Die zweite Phase des Moduls gliedert sich primär in 3 Stationen, die teils inhaltlich aufeinander aufbauen. Als Ausgangspunkt sollen die Schüler an Station 0 Grundlagen des Schaltungsaufbaus sowie der Programmierumgebung kennenlernen. Teils unter Anleitung, teils durch Ausprobieren realisieren die Schüler so eine einfache Ampelschaltung. Dabei benutzen die Schüler bereits erste elementare Programmierbefehle der neuen Programmiersprache und lernen diese so fast spielerisch Schritt für Schritt kennen. Die beiden weiteren Stationen bauen auf diesem elementaren Grundwissen auf. An Station 1 entwerfen die Schüler einen Reaktionstest: Dazu soll die Ampelschaltung um zwei 7-Segementanzeigen (zur Anzeige verstrichener Millisekunden) erweitert werden. Ziel ist es den Mikrocontroller so zu programmieren, dass nach Ablauf eines Ampelzyklus, die verstrichene Zeit bis zur Betätigung eines Schalters festgehalten und auf den 7-Segementanzeigen, ausgegeben wird. Die Schüler werden dabei vor einige Herausforderung gestellt: So reichen die Anschlüsse des Arduinoboards zunächst nicht um beide 7-Segmentanzeigen anzusteuern. Abhilfe schaffen ein neues Bauteil (der Transistor) und einige Programmierkniffe. In der letzten Station erstellen die Schüler selbstständig einen bewegungsgesteuerten Gamecontroller. Dabei bildet neben dem korrekten Aufbau der Schaltung insbesondere die Kalibrierung des Controllers im Vordergrund. Mit der Entwicklungsumgebung Processing erstellen die Schüler dann - aufbauend auf Station 0 - eine kleine Testumgegbung in der sie ein Objekt mit dem Gamecontroller steuern können.

 

Voraussetzungen

 

  • Phase 1: einfache mathematische Fähigkeiten wie Term- und Gleichungsumformungen. Beherrschung des Ohmschen Gesetzes und Kenntnisse elementarer Zusammenhänge der boolschen Algebra und von boolschen Funktionen von Vorteil

 

  • Phase 2: Grundkenntnisse im Bereich der Programmierung sind obligatorisch (Zuweisungen, Schleifen, Verschachtelungen...).

 

Aufgrund der Voraussetzung empfiehlt sich Phase 1 ab Jahrgangsstufe 9 und Phase 2 ab Jahrgangsstufe 10 respektive Einführungsphase zur gymnasialen Oberstufe.

 

 
Phase 1 des Moduls:

 

Phase 2 des Moduls:

 

Betreuer

 


Created by holz. Last Modification: Thursday, 27. December 2012 22:48:11 by roffmann.