Bereits Kunde? Jetzt einloggen.
Lesezeit ca. 8 Min.

Steuern und Regeln: Einsatz eines Mikrocontrollers und Programmerstellung mittels visueller Sprache im Technikunterricht


tu - Technik im Unterricht - epaper ⋅ Ausgabe 172/2019 vom 14.06.2019

Mikrocontroller gelten als Ein-Chip-Computersysteme, die neben einem Prozessor alle weiteren Bauteile der Datenverarbeitung (u. a. RAM, CPU, GPIO, ADC, COM) auf einem Chip vereinen. Bei nahezu jeder Nutzung von elektronischen Geräten sind diese beteiligt. So bspw. wenn Schülerinnen und Schüler ihr Smartphone verwenden, um Bilder für die sozialen Netzwerke Instagram oder Snapchat zu fotografieren, oder Gruppennachrichten für WhatsApp per Bildschirmtastatur eintippen. Auch bei der Bedienung der Waschmaschine im Haushalt sind meist Mikrocontroller beteiligt.

Diese große Bedeutung von Mikrocontrollern ...

Artikelbild für den Artikel "Steuern und Regeln: Einsatz eines Mikrocontrollers und Programmerstellung mittels visueller Sprache im Technikunterricht" aus der Ausgabe 172/2019 von tu - Technik im Unterricht. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: tu - Technik im Unterricht, Ausgabe 172/2019

Weiterlesen
epaper-Einzelheft 6,99€
NEWS 14 Tage gratis testen
Bereits gekauft?Anmelden & Lesen
Leseprobe: Abdruck mit freundlicher Genehmigung von tu - Technik im Unterricht. Alle Rechte vorbehalten.

Mehr aus dieser Ausgabe

Titelbild der Ausgabe 172/2019 von Der Obus zwischen Straßenbahn und Dieselbus. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Der Obus zwischen Straßenbahn und Dieselbus
Titelbild der Ausgabe 172/2019 von Technikgeschichte: Die Geschichte des Elektromotors aus didaktischer Perspektive. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Technikgeschichte: Die Geschichte des Elektromotors aus didaktischer Perspektive
Titelbild der Ausgabe 172/2019 von Allgemeine Probleme: Multisensorischer Zugang zum Spracherwerb im Technikunterricht. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Allgemeine Probleme: Multisensorischer Zugang zum Spracherwerb im Technikunterricht
Titelbild der Ausgabe 172/2019 von Informationstechnik / Produktionstechnik: Einsatzmöglichkeit von 3D-Druckern im allgemein-bildenden Technikunterricht – ein praxisnahes Beispiel. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Informationstechnik / Produktionstechnik: Einsatzmöglichkeit von 3D-Druckern im allgemein-bildenden Technikunterricht – ein praxisnahes Beispiel
Titelbild der Ausgabe 172/2019 von Produktionstechnik: Herstellen einfacher Produkte: Traktor aus Holz. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Produktionstechnik: Herstellen einfacher Produkte: Traktor aus Holz
Titelbild der Ausgabe 172/2019 von Buchbesprechung: Technisches Werken für die 3. und 4. Klasse. Zeitschriften als Abo oder epaper bei United Kiosk online kaufen.
Buchbesprechung: Technisches Werken für die 3. und 4. Klasse
Vorheriger Artikel
Allgemeine Probleme: Multisensorischer Zugang zum Spracherwerb im…
aus dieser Ausgabe
Nächster Artikel Informationstechnik / Produktionstechnik: Einsatzmöglichkeit…
aus dieser Ausgabe

... spiegelt sich auch in den Beiträgen der Zeitschrift tu wider. So veranschaulicht der zweiteilige Artikel von ABT (2018, 2019) ein Umsetzungsbeispiel mit dem Arduino Uno und ArduBlock. Mit dem hier nun vorliegenden Beitrag möchten die Autoren einerseits stärker unter einer theoretischen Perspektive die Thematik „Einsatz eines Mikrocontrollers und Programmerstellung mittels visueller Sprache“ vertiefen und andererseits auch mögliche alternative Systeme am Beispiel einer Ampelsteuerung präsentieren.

Tabelle 1: Vergleich der beiden populärsten Systeme im deutschsprachigen Raum.


Software: Vorstellung der webbasierten Entwicklungsumgebung

Abbildung 1: Ausschnitt aus der webbasierten Entwicklungsumgebung mit Erläuterungen.


Mehrere Studien aus der verwandten Informatikdidaktik zeigen auf, dass das Programmieren mittels visueller Sprache den schulischen Einstieg in die Softwareentwicklung besonders für Anfänger mit wenig Vorkenntnissen erleichtert (z. B. Price/Barnes 2015; Weintrop/Wilensky 2017). Bei einer visuellen Sprache wird das Programm durch grafische Elemente und deren Anordnung definiert. Damit einher geht u. a. eine Reduktion von Syntaxfehlern durch vorgefertigte Befehle in der Entwicklungsumgebung. Limitationen hat eine solche Sprache allerdings bei der Erstellung komplexer Algorithmen oder auch hinsichtlich der Performanz, jedoch ist fraglich, ob jene Kritikpunkte überhaupt bei den Anwendungen im Technikunterricht relevant werden.

Eine Möglichkeit zur Anwendung von visueller Sprache beim Programmieren eines Mikrocontrollers bietet die webbasierte Entwicklungsumgebung aufhttps://lab.open-roberta.org , die vom Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse-und Informationssysteme (IAIS) in St. Augustin betrieben wird und deren Einsatz kostenlos möglich ist (es ist keine Installation erforderlich). Nach der Eingabe der Adresse im Webbrowser muss in einem ersten Schritt die entsprechende Hardware ausgewählt werden, für die die Programmierung erfolgen soll. Dies kann beispielsweise ein Lego-Roboter oder, wie in unserem Fall, der MikrocontrollerCalliope mini oderArduino Uno sein (siehe Abbildung 1, Feld A). Wenn ein neues Projekt begonnen wird, erfolgt automatisch die Erstellung des Start-Bausteins (siehe Abbildung 1, Feld B). Dieser ruft im Hintergrund entsprechende Funktionen auf, die eigentliche Programmerstellung erfolgt im Hintergrund über Java. Im linken Bereich in Abbildung 1 (Feld C) sind vertikal verschiedenfarbige Bereiche dargestellt (Aktionen, Sensoren, Kontrolle, …). Die einzelnen Bereiche sind in einen Anfänger-Bereich  1 mit reduziertem Funktionsumfang und einen Fortgeschrittenen-Modus 2 unterteilt. So finden sich im Bereich Aktionen Elemente zur Signalausgabe z. B. an einem Pin, der Anzeige oder an einem Motor. Im Bereich Sensoren erfolgt die Signaleingabe durch die Betätigung eines Tasters, im Bereich Kontrolle sind vorgefertigte Bausteine zu Entscheidungen (wenn… mache…), Schleifen und Wartezeiten implementiert, die dann mittels Drag-and-Drop in den rechten Bereich gezogen werden können.

Anwendungsbeispiel Ampelsteuerung

Die Anwendung der webbasierten Entwicklungsumgebung und den Einsatz des hier ausgewählten MikrocontrollersCalliope mini wird am Beispiel einer Ampelsteuerung verdeutlicht (Ministerium für Kultus, Jugend und Sport 2016 – Sekundarstufe 1, 3.3.2 Systeme und Prozesse).

Als Bauteile werden folgende Komponenten benötigt: jeweils eine 5-mm LED in Rot, Gelb und Grün, dazu passende Vorwiderstände mit 150 oder 220 Ω, ein Steckbrett (Breadboard), Aderendhülsen, Litze und vier Krokodilklemmen bzw. beim Einsatz desArduino Uno zusätzlich ein Drucktaster (Abbildung 2).

Für eine aus dem Straßenverkehr bekannte Ampelanlage gilt: Rot = Stop! Es darf nicht gefahren werden, Gelb: Auf weiteres Signal warten, Grün: Freigabe des Verkehrs! Die Abfolge der Signale soll nacheinander erfolgen und sich permanent wiederholen (auf eine elaborierte fachdidaktische Kontextualisierung soll an dieser Stelle verzichtet werden).

In der folgenden Abbildung 3 ist eine Lösung der Programmerstellung in visueller Sprache (links) dargestellt. Beim Klick auf das unter dem Buchstaben A dargestellte Pfeilsymbol wird die Darstellung in der textuellen Programmiersprache Java (rechts) sichtbar, die wir zur Programmerläuterung einblenden.

Auf der linken Seite sind unter dem Start-Feld verschiedene Blöcke abgebildet. Zu erkennen sind hier die verschiedenen Kontrollstrukturen „wiederhole unendlich oft“, was der While-Schleife entspricht und eine dauerhafte Wiederholung des Anweisungsblocks bewirkt, sowie darin geschachtelt bedingte If-Anweisungen. D. h. wenn die Taste A (amCalliope mini ) gedrückt wird, dann schreibe einen digitalen Wert auf Pin P0 = 0, schreibe digitalen Wert auf Pin P1 = 1 und warte 500 ms. Dies wird für die anderen Pins fortgeführt. Es ist zudem auf der rechten Seite zu erkennen, dass eine große Anzahl an Funktionen aufgerufen wird, die dann Parameterwerte übergeben. Um das entwickelte Programm auf die Hardware übertragen zu können, muss in der webbasierten Entwicklungsumgebung auf den Button „Lade Quellcode auf Computer“ geklickt werden (zu finden in der Ansicht der textuellen Programmiersprache). DerCalliope mini muss nun am USB-Port des PCs eingesteckt werden und steht anschließend als externes USB-Laufwerk zur Verfügung. Das heruntergeladene Programm muss dann auf das USBLaufwerk kopiert werden.

Bedeutungs-und Bewertungsperspektive

Abbildung 2: Aufbau der Ampelschaltung am Breadboard. Die anderen Enden der Krokodilklemmen wurden an die Pins am Calliope mini (P0=rot, P1=gelb, P2=grün; Minuspin=schwarz) angeschlossen.


Abbildung 3: Lösung der Programmerstellung in visueller Sprache (links) und die textuelle Variante (rechts).


Bisher lag der Fokus des Beitrags auf der Handlungs-bzw. der Kenntnis-und Strukturperspektive des mehrperspektivischen Ansatzes. Bei Betrachtung der Bedeutungs-und Bewertungsperspektive muss mit Blick auf die Einflussnahme außerschulischer Akteure konstatiert werden, dass beimCalliope mini u. a. der Online-und Internetdienst Google als Partner geführt ist. Daher wird z. B. von Seiten des Ministeriums Baden-Württemberg eine flächendeckende Einführung in der Schullandschaft gegenwärtig nicht empfohlen. Auf der anderen Seite werden jedoch an vielen Schulen größere Summen in Android-Tablets investiert, bei denen Google viel mehr und viel sensiblere Nutzerdaten gewinnt. Die webbasierte Entwicklungsumgebung kann, bei datenschutzrechtlichen Bedenken, in einem privaten Fenster (z. B. unter Mozilla Firefox) geöffnet werden. Die Programmerstellung und -übertragung kann ohne Anmeldung vorgenommen werden.

Alternativen zumCalliope mini wie derBBC Microbit haben die britische BBC, Microsoft und Samsung als Partner. Wenn freie Systeme eingesetzt werden sollen, bleibt nur der Einsatz desArduino Uno, der jedoch am Anfang für Schülerinnen und Schüler schwieriger zu durchdringen ist.

Vorberufliche Orientierungsaspekte

Abbildung 4: Exemplarische Zuweisung einer LED und eines Tasters am Arduino Uno.


Der Einsatz eines Mikrocontrollers in der technischen Bildung liefert bedeutende Einblicke in spätere berufliche Möglichkeiten. So sind das EVA-Prinzip und der Umgang mit Hard-und Software in allen elektrotechnischen Ausbildungsberufen schon ab dem ersten Ausbildungsjahr relevant. Zukünftig werden außerdem vermehrt Kenntnisse für den Software-Entwurf in allen technischen Ausbildungsberufen erforderlich (Windelband 2018). Durch die fortschreitende Digitalisierung industrieller Produktionen (Stichwort: Industrie 4.0) werden sehr viele Mikrocontroller oder auch eingebettete Systeme in der Fertigung, Produktion und der Logistik eingesetzt werden.

Diskussion und weitere Ideen zur Umsetzung

Abbildung 5: Anschluss der LED, Vorwiderstände, Drucktaster an den Arduino Uno.


Der vorliegende Beitrag skizzierte die praktische und technische Informatik innerhalb der technischen Bildung, bei der Befunde aus der fachdidaktischen Forschung der Informatik eingebunden wurden. Perspektivisch kann auch aus Holz eine Fassung für den Mikrocontroller sowie eine Ampelhalterung konstruiert und gefertigt werden. Um die Programmierung desArduino Uno mit der Entwicklungsumgebung vornehmen zu können (Stichwort: Nepo4Arduino), muss jedoch ein Open Roberta USB-Programm mit Administratorrechten installiert werden, damit eine Verbindung zwischen PC und dem Arduino besteht. Im Internet ist unterhttps://jira.iais.fraunhofer.de/wiki/ display/ORInfo/USB+Verbindung eine bebilderte Anleitung zu finden. Bei der Programmierung ist es wichtig, dass die Zuweisung der externen elektronischen Bauteile für die Ein-und Ausgabe, wie LEDs und Taster, an die Pins erfolgt (siehe Abbildung 4).

Eine mögliche Variante zum Aufbau der Ampelsteuerung für den Arduino Uno wurde mit der kostenlosen Software Fritzing realisiert(http://fritzing. org/download) und ist in Abbildung 5 dargestellt.

Neben der hier angesprochenen Ampelsteuerung können auch exemplarisch weitere „TU-Klassiker“ umgesetzt werden: die Sieben-Segment-Anzeige von Dold (1990), das Modell eines programmierbaren Leuchtfeuers nach Bittigau/Hack/Reich (2005), die Parkhausschranke (Mohr 2007) oder die bei Fockel u. a. (2014) optimierte Fahrstuhlsteuerung.

Literatur

aBt, chRiStian (2018): Steuern und Regeln mit dem Arduino und mit ArduBlock – Teil 1. In: tu – Zeitschrift für Technik im Unterricht, H. 170, S. 29–36.

aBt, chRiStian (2019): Steuern und Regeln mit dem Arduino und mit Ardu-Block – Teil 2. In: tu – Zeitschrift für Technik im Unterricht, H. 171, S. 36–40.

Bittigau, k./hack, S./Reich, g. (2005): Modell eines programmierbaren Leuchtfeuers. In: tu – Zeitschrift für Technik im Unterricht, H. 118, S. 16–20.

dold, W. (1990): Sieben-Segment-Anzeige. In: tu – Zeitschrift für Technik im Unterricht, H. 57, S. 40–46.

Fockel, d./tlatlik, J./WoRtmeieR, l./ BiedeRmann, k. (2014): Optimierte Fahrstuhlsteuerung mit der Kleinsteuerung „Nanoline“. In: tu – Zeitschrift für Technik im Unterricht, S. 38–41.

milleR, h./WeicheRt, F. (2017): Vorkurs Informatik. Der Einstieg ins Informatikstudium. Wiesbaden: Springer Vieweg.

Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur (2011): Rahmenlehrplan Wahlpfl ichtbereich Realschule Plus. https://realschuleplus. bildung-rp.de/fi leadmin/_migrated/ content_uploads/Rahmenplan_Wahlpfl ichtbereich_Realschule_plus.pdf. 19.01.2019.

Ministerium für Kultus, Jugend und Sport (2016): Bildungsplan 2016. Technik Wahlpfl ichtfach. http://www.bildungsplaene-bw.de/,Lde/LS/BP2016BW/ ALLG/SEK1/T. 19.01.2019.

mohR, J. (2007): Parkhausschranke Phs3. In: tu – Zeitschrift für Technik im Unterricht, H. 124, S. 29–39.

pRice, t. W./BaRneS, t. (2015): Comparing Textual and Block Interfaces in a Novice Programming Environment. In: doRn, B. (Hrsg.): Proceedings of the eleventh annual International Conference on International Computing Education Research. New York, NY: ACM, S. 91–99.

Ropohl, g. (1979): Eine Systemtheorie der Technik. Zur Grundlegung d. allg. Technologie. München, Wien: Hanser.

Schmayl, W./Wilkening, F. (21995): Technikunterricht. Bad Heilbrunn: Klinkhardt.

WeintRop, d./WilenSky, u. (2017): How Block-based Languages Support Novices. A Framework for Categorizing Block-based Affordances. In: Journal of Visual Languages and Sentient Systems 3, H. 1, S. 92–100.

WindelBand, l. (2018): Berufl iche Handlungsfähigkeit in digitalisierten Arbeitsumgebungen verlangt Prozessund Systemkompetenz – didaktische Ansätze in der Ausbildung. Berlin.

BEITRÄGE ZUR UNTERRICHTSPRAXIS ERWÜNSCHT

Wir wollen in „tu“ mehr Beiträge zur Unterrichtspraxis veröffentlichen. Sie werden uns leider nicht in genügender Zahl und inhaltlichen Breite angeboten.

Wir möchten daher besonders die Kolleginnen und Kollegen in der Schule ermutigen, über ihre Unterrichts erfahrungen und über ihre Projekte zu berichten.

In der ersten und in der zweiten Phase der Lehrerbildung werden viele Unterrichtseinheiten sorgfältig aus gearbeitet und praktisch erprobt. Wir würden gern eine Auswahl davon in „tu“ vorstellen.

Dabei müssen es nicht die modernsten Themenbereiche sein. Gerade Beiträge zu grundlegenden Themen finden sicher ein großes Interesse. Das gilt ebenso für Erfahrungen und Anregungen zum Einsatz von Medien und Methoden, zur Unterrichtsorganisation, zu den Fachräumen, zum Material-und Werkzeugmanagement und zur Sicherheit im Technikunterricht …

Angebote und Anfragen bitte an: sachs@ph-freiburg.de

Nähere Hinweise siehe „tu“ 160, S. 29