Automatisierung in Miniatur
Unterrichtsmodul aus Deutschland
Die Drehscheibe als Transportband der Automatisierung in Miniatur
Das Unterrichtsmodul „Automatisierung in Miniatur“ ermöglicht SchülerInnen, selbst eine kleine Fertigungsanlage zu programmieren und in Bewegung zu setzen. Als hands-on-Elemente dienen ein Ampelmodul als Statusanzeige, eine Lichtschranke und eine Drehscheibe, die zusammen mit verschiedenen beweglichen Funktionsteilen zu einer Mini-Produktionsanlage werden. Die Teams programmieren ihre Anlage mit dem Mikrocontroller Arduino und einer textbasierten Programmiersprache. Die SchülerInnen können die Drehscheibe als Befüllungsanlage steuern –indem die Lichtschranke einen Behälter auf der Drehscheibe erkennt, die Statusanzeige durch einen Wechsel von Rot nach Grün eine Zustandsänderung anzeigt und mit einem Dispenser etwas in den entsprechenden Behälter gefüllt wird.
Drei LEDs als Status-Anzeige für die Aktoren
Aufbau Unterrichtsstunden
Die insgesamt sechs Unterrichtseinheiten sind aufeinander aufbauend konzipiert, lassen sich jedoch in ein Einstiegs- und Fortgeschrittenenprogramm unterteilen. Zu Beginn versetzen einige motivierende Einblicke in die industrielle Anwendung von Drehscheiben die Schulklasse in eine fiktionale Fabrik. Für ihre Mini-Fertigungsanlage können sich die Teams mit einem eigenen fiktiven Szenario aussuchen, was sie „produzieren“. Für den Einstieg in die Programmierung mit dem Arduino schalten die SchülerInnen zunächst LEDs der Statusanzeige ein und aus. Sie arbeiten hierfür sowohl mit einem realen als auch mit einem virtuellen Ampelmodul. Eine internetbasierte Simulationsumgebung erleichtert die Zusammenarbeit und den Austausch der erstellten Programmierungen, sodass eine enge Kooperation auch im Distanzunterricht möglich bleibt. Die Drehscheibe setzen die Teams mit einem Getriebemotor in Gang. Weitere Funktionselemente der Anlage werden von Servo-Motoren zwischen zwei Positionen hin- und herbewegt. Die SchülerInnen programmieren zuerst den Servo-Motor für den Dispenser: Sie drehen zwei Zahnräder, um einen Durchlass zu öffnen und etwas in einen Behälter fallen zu lassen. Danach können die Teams weitere Elemente (Durchlass für den Zulauf von Teilen, Schwenkarm für den Auswerfer) programmieren.
Eine interaktive Anleitungsseite ermöglicht weitgehend selbstständiges Arbeiten
Programmierung
Auf der Ebene der Programmierung lässt sich das Schwierigkeitsniveau ebenfalls anpassen: Wird das Modul für einen Einstieg genutzt, geben die SchülerInnen nur wenige Programmierbefehle in eine weitgehend vorgegebene Programmierung ein. Wird das Modul für Fortgeschrittene verwendet, haben die SchülerInnen zusätzliche Aufgaben, wie z.B. die Definition von Klassen. Eine interaktive Anleitungsseite ermöglicht ein weitgehend selbstständiges Arbeiten der Teams, nach eigenem Bedarf und Tempo. In Berufsschulen für Informatik ist die objektorientierte Programmierung ein wichtiges Unterrichtsthema. Das konzipierte Modul bietet die Chance, abstrakte Prinzipien dieses Programmierstils anhand von realen Objekten nachzuvollziehen. Die Teams programmieren Servomotoren für drei reale Objekte (Durchlass für den Dispenser, Durchlass für den Zulauf, Schwenkarm für den Auswerfer). So können die SchülerInnen lernen, dass verschiedene reale Objekte gleichen Typs programmiertechnisch verschiedene Objekte derselben Klasse sind – eine wichtige Erkenntnis in der objektorientierten Programmierung.
Gesellschaftlicher Kontext
Das Thema Automatisierung und deren gesellschaftliche Konsequenzen betreffen viele Berufsschüler direkt – als InformatikerInnen werden sie womöglich solche Anlagen programmieren, als AutomatisierungstechnikerInnen bauen und in anderen Zweigen – wie z.B. der Lebensmitteltechnik – mit solchen Anlagen arbeiten. In einer abschließenden Unterrichtseinheit werden die SchülerInnen zur Diskussion und Reflektion gesellschaftlicher Fragen zum Thema Automatisierung angeregt, um ihre eigene zukünftige berufliche Tätigkeit in einem größeren Kontext zu betrachten.
Die Drehscheibe transportiert hier Informationen in Form von Helligkeitswerten
Andere Anwendungen
Das Modul richtet sich primär an Berufsschulen, lässt sich aber auch in anderen Schularten verwenden. Das vorgestellte Szenario der Miniproduktionsanlage ist nur ein Beispiel von vielen Möglichkeiten, für welche die Drehscheibe und das Material-Kit genutzt werden können. Wird auf die Drehscheibe ein (selbst entworfenes) Schwarz-Weiß-Muster gelegt, kann der Lichtsensor diese Helligkeitsinformation in Töne und einfache Rhythmen umsetzen – und so kann eine einfache Soundmaschine entstehen. Der Kreativität sind wenig Grenzen gesetzt…
ein Becher rutscht auf die Drehscheibe
die Lichtschranke sieht den Becher
eine Kugel wird ausgegeben
der gefüllte Becher wird hinausbefördert
