Arduino, Steckboard, Taschenlampe, USB-Kabel und jede Menge Komponenten nach Stationen sortiert: In der grauen Kiste ist alles übersichtlich enthalten, was man für den Arduino-Workshop im Rahmen der BMBF-Initiative „Make Light“ benötigt.
Das InfoSphere-Team um Nadine Bergner, Wissenschaftliche Mitarbeiterin an der RWTH Aachen, hat das Konzept “Informatik enlightened - Was Blumen, Autos und Solarzellen verbindet” als Workshop erarbeitet, um mit Arduino-Mikrokontrollern Schülerinnen und Schülern in ganz Deutschland die Photonik näher zu bringen. Nadine erklärt die Idee hinter dem Konzept:„Da man ja bekanntlich durch Selbermachen am besten lernt, steht hier nicht das Lesen im Vordergrund, sondern das Machen. Wie? Mit Arduino-Mikrocontrollern, einer Menge LEDs, vielen weiteren Teilen rund um das Thema Licht – und viel Spaß!“
An insgesamt vier Stationen bauen die Schülerinnen und Schüler in ungefähr fünf Stunden dann mit Hilfe eines Helligkeitssensors eine Blume nach, die sich nach dem Lichtstrahl einer Taschenlampe ausrichtet, eine Infrarot-Einpark-Hilfe für einen kleinen Papp-Lastwagen die mit Piepstönen die Nähe zu einem im Weg stehenden Objekt hörbar anzeigt, zwei Infrarot-Lichtschranken, die zur Geschwindigkeitsmessung mit Start- und Stopp-Schranke verwendet werden sowie eine bunte RGB-LED, die als Thermometer mit Hilfe von Farben die Temperatur anzeigt.
Leichte Vorkenntnisse in der Programmierung sind zwar vorteilhaft aber nicht nötig. An einer „Station Null“ werden die Schülerinnen und Schüler zuerst mit Arduino, dem zugehörigen Steckboard samt Komponenten und der einfachen Programmierung vertraut gemacht. Erst danach geht es an die richtigen Stationen.
Licht hat viele Facetten. Der Physiker würde sagen: Licht hat sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften.
Auch in der Informatik befassen wir uns mit verschiedenen Seiten des Lichtes, allerdings ohne dabei so theoretisch zu werden. Denn Licht kann soviel: Licht erzeugt Energie, es überträgt Information, ob nun sichtbar oder unsichtbar begegnet es uns überall im Alltag.
Wir wollen uns in diesem Workshop mit verschiedenen Bereichen auseinandersetzen und einfach mal hinterfragen: Wie geht das?
Wie kann uns unsichtbares Licht beim Einparken helfen? Und kann man damit auch Geschwindigkeiten messen? Wie überträgt man mit Licht Informationen? Und was ist eigentlich erforderlich, um aus Solarzellen das Maximum rauszuholen?
Da man ja bekanntlich durch Selbermachen am besten lernt, steht hier nicht das Lesen im Vordergrund, sondern das Machen.
Wie? Mit Arduino-Microcontrollern, einer Menge LEDs, vielen weiteren Teilen rund um das Thema Licht und viel Spaß!
Station 0 - Einstieg
Den Begriff „Mikrocontroller“ haben sicher viele von euch schon gehört. Für die meisten sind das kleine, mysteriöse Chips die noch geheimnisvollere Funktionen erfüllen und in den Speziallabors von riesigen Elektronikkonzernen von genialen Ingenieuren programmiert werden.
Doch auch wenn jede Menge High-Tech drin steckt, erfordern Mikrocontroller weder fünf Jahre Studium noch einen Abschluss in Hogwarts, um damit tolle Dinge anzustellen!
In eurem Einstiegsprojekt lernt ihr die Grundbegriffe der Programmierung von A-Z kennen und lernt wie ihr eine LED zum Blinken bringt oder mit einem Taster ein und ausschaltet, ohne dass ihr dafür Vorkenntnisse aus der Physik oder Informatik mitbringen müsst.
Wenn ihr dieses Einstiegsprojekt hinter euch gebracht habt, seid ihr bereit euch weiteren Herausforderungen zu stellen und die Vielfalt der Möglichkeiten kennenzulernen, angefangen bei der Einparkhilfe, über Geschwindigkeitsmessungen und digitalen Thermometern bis hin zu einer Sonnenblume, die sich stets der Sonne zuwendet!
Station 1 - Sonnenblume
Für eine Sonnenblume ist es überlebenswichtig, dass sie möglichst viel Sonnenlicht aufnehmen kann. Darum dreht sie sich mit dem Sonnenlauf mit, indem sie sich langsam zum hellsten Punkt am Himmel dreht. Genauso müssen sich Solarzellen eines Solarkraftwerks ausrichten, damit möglichst viel Sonneneinstrahlung in Strom umgewandelt werden kann.
Aber wie können sich die Solarzellen und die Sonnenblume so genau ausrichten? Woher wissen sie in welche Richtung sie sich wenden müssen? Wie können sie überhaupt Lichtintensität wahrnehmen?
Um diese Fragen zu beantworten, werden in diesem Projekt ein Helligkeitssensor und ein Servomotor kombiniert, um eine Sonnenblume zu bauen, die einer Taschenlampe folgen kann.
Sollte eure heimische Zierpflanze also ihre Fähigkeit sich zu drehen verlieren, seid ihr nach diesem Projekt in der Lage bionisch nachzuhelfen.
Station 2 - Einparkhilfe
Viele von euch, die in der Fahrschule waren oder demnächst dort ihre Runden drehen, kennen ein „Schreckensszenario“: rückwärts einparken!
Was für ein Glück, dass in immer mehr Fahrzeugen Einparkhilfen eingebaut sind, die durch ihr drängendes und immer schneller werdendes Piepen vor dem drohenden Zusammenstoß warnen.
Doch wie funktioniert so eine Einparkhilfe? Woher kennt das Fahrzeug den Abstand? Und wie wird aus dem Abstand ein Warnton?
Die Antwort liegt im Verborgenen: Infrarot-Licht! In diesem Projekt könnt ihr mit einem Infrarot-Sensor und einem Summer (ein Bauteil, das Töne von sich gibt) die Einparkhilfe eines Fahrzeugs nachbauen.
Mal sehen, ob ihr unseren InfoSphere-Test-LKW sicher rückwärts an seine Entladestation andocken lassen könnt…
Station 3 - Geschwindigkeitsmessung
Im Sport (z.B. beim 100-Meter-Lauf) müssen Zeiten auf Tausendstelsekunden genau gemessen werden. Bei einem Autorennen muss das Zielfoto genau im richtigen Moment geschossen werden, um den Sieger festzustellen. Lichtschranken stellen eine Lösung dafür dar. Diese begegnen euch auch im Alltag. Wenn man ein Kaufhaus betritt, geschehen allerlei wundersamer Dinge. Türen öffnen sich wie von Zauberhand, die Rolltreppe startet noch bevor mein ein Fuß darauf gesetzt hat und springt man in einen sich schließenden Aufzug, so öffnet er sich wieder, sodass man nicht in der Türe stecken bleibt.
Aber woran merken diese Geräte, wann sie reagieren sollen? Wieso funktioniert alles automatisch und warum sieht man nirgends einen Schalter oder ähnliches?
All diese Erfindungen benutzen unsichtbares Licht: das Infrarot-Licht. In dieser Station werden Infrarot-Dioden und Infrarot-Photodioden verwendet, um mit Hilfe zweier Lichtschranken Zeit und Geschwindigkeit zu messen.
Station 4 - Farbthermometer
Thermometer sind eine feine Sache, damit man sich nicht die Finger verbrennt oder weiß, ob das T-Shirt heute reicht oder doch eher der Pullover angesagt ist.
Oft ist es aber umständlich lange nachzudenken, was einem diese Angabe in °C denn jetzt sagen will. Viel besser wäre es doch, auf den ersten Blick zu sehen, ob etwas heiß oder kalt ist, schließlich verbinden wir schon intuitiv z.B blau mit kalt und rot mit warm. Das nutzen zum Beispiel auch die modernen LED-Wasserhähne.
Eine RGB-LED ist hier das Mittel der Wahl. Sie kann rot leuchten, blau leuchten, aber auch noch viel mehr.
In diesem Projekt lernt ihr, wie man aus drei Grundfarben jede beliebige Lichtfarbe mischen kann, ohne sich dabei die Finger schmutzig zu machen, und das alles mit nur einer LED!
Darüber hinaus lernt ihr natürlich die Temperatur mit einem elektronischen Bauteil zu messen, so dass ihr die Elektronik aus eurem Wasserhahn selbst nachbauen könnt!
Eine Doku ist hier zu finden:
schuelerlabor.informatik.rwth-aachen.de/modulmaterialien/informatik-enlightened
