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Schülerlabor-Modul zur Zustandsmodellierung einer Ampelschaltung unter Einsatz von Arduino-Mikrocontrollern

 
Staatsexamensarbeit
Marc Weintz

Aufgabenstellung

Ausschreibung:
Ziel dieser Staatsexamensarbeit ist die Entwicklung und Evaluation eines Schülerlabor-Moduls für die Sekundarstufe 1 (Ein Modul bezeichnet eine (meist eintägige) Lerneinheit im InfoSphere). Dieses Modul soll für die Schülerinnen und Schüler einen lehrreichen, aber vor allem aufregenden und motivierenden Ausflug in die Welt der Informatik darstellen. Entscheidend ist, dass die Schülerinnen und Schüler selbstentdeckend, forschend und mit viel Spaß lernen.
Dieses Modul soll den Schülerinnen und Schülern die Verbindung von Technik und Informatik vermitteln. So soll eine Ampelschaltung o.ä. erst praktisch konstruiert und später programmiert werden. Schön wäre es weiter, wenn eine Verbindung zwischen theoretischer und praktischer Informatik für die Schülerinnen und Schüler erkennbar würde.

Zusammenfassung/Abstract

 
In dieser Staatsexamensarbeit wird ein Modul für das Schülerlabor InfoSphere entwickelt. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit der Zustandsmodellierung am Beispiel einer Ampelanlage auseinandersetzen. Verschiedene Schaltungen werden im Laufe des Tages mittels Zustandsdiagrammen modelliert und anschließend mit Hilfe von Arduino-Mikrocontrollern realisiert. Die SuS lernen, in welchem Maße die Diagramme bei der Planung und Verwirklichung eines Informatiksystems (wie die Ampelanlage) dienlich sein können. Die Arbeit im Schülerlabor wird weitestgehend in Eigenregie in Teamarbeit erfolgen, so dass die SuS neben der Entwicklung einer informatischen Denkweise auch an ihrer Selbstlern- und Teamfähigkeit arbeiten können.

Hintergrund/Motivation

Die Informatik ist in der heutigen Gesellschaft beinahe überall vertreten. In den meisten Fällen bemerkt man dies sogar nicht direkt. Ohne Informatik würden keine Aufzüge funktionieren und selbst viele Kaffeemaschinen benötigen sie. Die Rede ist von kleinen Computern, die etliche technische Geräte steuern: Mikrocontroller. Ihre Bedeutung für unser Leben wird sich in absehbarer Zeit auch nicht verringern, eher im Gegenteil.
In der heutigen Entwicklung werden diese Mikrocontroller nicht mehr über eine Maschinensprache programmiert. Der Entwickler wird sich nicht mit beispielsweise Assembler auseinandersetzen müssen, um Implementierungen zu verwirklichen. Vielmehr werden die Probleme in einer (meist domänenspezifischen) Sprache modelliert und der Code häufig automatisch generiert. Die modellbasierte Softwareentwicklung ist eine zukunftsweisende Richtung nicht nur für eingebettete Systeme. Eine Möglichkeit dieser Modellierung stellt hier die Zustandsmodellierung mittels Zustandsdiagrammen dar. Mit ihnen lassen sich beispielsweise Ampelanlagen effizient und zielgerichtet beschreiben. In der Schule wird diese Art der Modellierung zumeist nicht thematisiert. Das Modul soll also Einblicke in die Zustandsmodellierung geben und aufzeigen, in welchem Maße die zugehörigen Diagramme bei der Verwirklichung eines Informatiksystems (wie die Ampelanlage) dienlich sein können.

Einordnung in den Schulunterricht

Das Modul richtet sich an Schülerinnen und Schüler eines Informatikkurses in der Sekundarstufe 1. Beispielsweise in einem Differenzierungskurs der Stufen 8 und 9, wird an vielen Schulen eine imperative Programmiersprache eingeführt. Hier werden die für das Modul nötigen Grundlagen (wie eine algorithmische Denkweise, sowie konkrete Programmbausteine wie Verzweigungen und Schleifen) erarbeitet. Als Ergänzung zum eigentlichen Informatikunterricht können die SuS ihre Kenntnisse an neuen Kontexten anwenden.
Im Bereich „Messen, steuern und Regeln“ lässt sich nun am Kontext der Ampelschaltung ein Informatiksystem mit Arduino-Mikrokontrollern erstellen. Die SuS sollen nicht nur die Programmierung der Arduinos erlernen, sondern vielmehr eine systematische informatische Vorgehensweise über Planung, Simulation, Konstruktion und Implementierung. Hier helfen Zustandsdiagramme zum einen bei der Planung, als auch bei der Entwicklung einer informatischen Denkweise und Abstraktionsfähigkeit.

Ablauf des Moduls

Der Tag im Schülerlabor ist so gestaltet, dass sich die Schülerinnen und Schüler die Materie selbst erforschen und aneignen. Im ersten Teil lernen sie die nötigen Grundlagen: Modellierung von Problemen mit Zustandsdiagrammen und die generelle Bedienung der Ardunio-Boards. In einem zweiten Schritt werden die für eine komplexe Ampelanlage nötigen Bauteile eingeführt. Diese lernen die SuS einzeln kennen und verbauen sie in einer wachsenden Schaltung. Schlussendlich können die Schülerinnen und Schüler ihr „eigenes“ Projekt bearbeiten, indem sie eine von ihnen entworfene Kreuzung mit Ampeln versehen. Die Situation wird von ihnen geplant, konstruiert und implementiert.

 

Betreuer

 


Created by bergner. Last Modification: Monday, 06. February 2012 17:58:21 by bergner.