LABS for CHIPS - geförderte Projekte 2018

Die Bröndby-Oberschule in Berlin bietet in der Oberstufe den Ergänzungskurs „Digitale Welten“ an, der demnächst auch als Wahlpflichtfach bereits in der 9. Jahrgangsstufe angeboten werden soll. Die Basis wird ein spielerischer, künstlerisch frei zu gestaltender Arduino-Roboter sein, der auf Reize in seiner Umgebung reagiert. Neben der Programmierung braucht es dazu natürlich einige Sensoren, Aktoren und weitere Elektronik, damit er zum Leben erwacht. LABS for CHIPS unterstützt das Vorhaben mit Zubehör für 16 Sets.

Die Wissenswerkstatt Friedrichshafen e.V. begeistert mit der Unterstützung von LABS for CHIPS Schülerinnen und Schüler für Technik im Alltag. Zu diesem Zweck bauen sie ein Smart Home mit vernetzten Geräten. Im ersten Schritt wird ein Wohnhausmodell errichtet, das die Infrastruktur mit Mikrocontroller-Platinen enthält. Danach werden die Schülerinnen und Schüler typische Anwendungen, die unter anderem die Beleuchtung, Heizung, Pflanzenbewässerung und das Garagentor steuern, digital vernetzen und programmieren. Das macht das Internet der Dinge begreifbar.

Die Schülerinnen und Schüler am Leibniz-Gymnasium Dormagen werden ihre eigene Mikrocontroller-Welt erschaffen. Mikrocontroller, die kleinen Brüder der Mikroprozessoren, sind preiswert zu kaufen und daher weit verbreitet. In den meisten Schulprojekten geht es darum, sie zu programmieren – dabei tritt die Funktion der Hardware in den Hintergrund. Die in Dormagen selbst entwickelten „Brick“-Mikrocontroller, bei denen die Bausteine unterschiedliche Aufgaben übernehmen, können die Schülerinnen und Schüler selbst zusammenlöten und über gängige Industrieschnittstellen miteinander verbinden. So können etwa Analog-Digital-Wandler, Anzeigen, Temperaturfühler und Uhrenbaustein für eigene Projekte genutzt werden und vermitteln damit ganz nebenbei die Funktion der Mikroelektronik-Komponenten.

Das Schülerlabor TechLab der Leibniz Universität Hannover zeigt Schülerinnen und Schülern der Jahrgangsstufen 8 bis 10, was Ingenieurinnen und Ingenieure für den Alltag entwickeln – und wie sie das machen. Die Digitaltechnik, auf der sämtliche Computer und die moderne Elektronik beruhen, wird den Jugendlichen mit Elektronik-Bausteinen der Firma Mexdulon vermittelt, auf denen integrierte Schaltkreise die elementaren Logikfunktionen bieten. Die Schüler können lernen, mit mehreren dieser Bausteine die Computer-Grundfunktionen wie Addierer oder auch Digital-Analog-Wandler zu verschalten. Aber auch der Aufbau von Logikgattern aus einzelnen Transistoren ist geplant. So entwickeln die Schüler ein elementares Verständnis für die Grundfunktionen der Mikroelektronik.

„LABS for CHIPS“ fördert auch Angebote zum anwendungsorientiertem Grundlagenwissen wie den neuen Ferienkurs „Messen – Steuern – Regeln“ der Chemnitzer Elektronik-AG des solaris Förderzentrums für Jugend und Umwelt gGmbH Sachsen (solaris FZU). Das Förderzentrum setzt das Preisgeld ein, um Verbrauchsmaterialien anzuschaffen, die für klassisches Elektronik-Basteln mit dem Lötkolben in der Hand benötigt werden.

Im Elektroniklabor der Internatsschule Schloss Hansenberg entwickeln die Schülerinnen und Schüler mikroelektronische Schaltungen, die nach dem Aufbau als experimentelle Prototypen auf den üblichen Leiterplatten fest verschaltet werden. Der dafür nötige, fotochemische Ätzprozess ist für Schulen nicht geeignet und wurde bisher durch externe Firmen erledigt. LABS for CHIPS unterstützt die Anschaffung eines Platinendruckers, mit dem die Schülerinnen und Schüler die Leiterplatten selbst fertigen können – und so den Herstellungsprozess von mikro-elektronischen Schaltungen vollständig beherrschen.

Auch für die Industrie 4.0 bleibt das Fließband in der Produktion unentbehrlich. Es wird nur ein wenig schlauer! Das zeigt das Abschlussprojekt des Differenzierungskurses der 10. Klasse der Maristenschule Recklinghausen. Die Schülerinnen und Schüler bauen in Kleingruppen sechs Fließbänder auf, auf denen Gläser mit unterschiedlichen Flüssigkeiten und Füllständen on demand, also nach Bedarf, befüllt werden. Das Spektrum der Elektronik startet mit einer herkömmlichen, analogen Steuerung und endet bei Mikrocontrollern, die über das Internet an eine Smartphone-Steuerung angebunden sind.

Einen Ferienworkshop richtet die Abteilung Didaktik der Informatik der Universität Oldenburg aus, in dem die Schülerinnen und Schüler das Internet der Dinge für ein Smart Home selbst entwickeln. Dazu nutzen sie gängige Hardware und Software, die als Open Source-Projekte gut dokumentiert sind. Die Elektronik müssen die Teilnehmenden selbst zusammenlöten, dazu gehört zum Beispiel ein Bewegungsmelder, mit dem eine Alarmanlage realisiert werden kann. Um die Arbeit aufzuteilen und dennoch gezielt arbeiten zu können, gehört auch Projektmanagement zum Ferienworkshop

In der Oldenburger Paulus-Schule wird im Unterricht schon länger mit Mikroelektronik experimentiert. Für ausgefeilte Projekte, etwa zum Internet der Dinge, bleibt im Lehrplan aber keine Zeit. Daher werden diese Aktivitäten auf ein neues Schülerlabor ausgelagert, von dem auch angehende Lehrern profitieren: Hier lernen Lehramtsstudierende der Arbeitsgruppe Technische Bildung der Universität Oldenburg, ihre technisch-pädagogischen Konzepte für die und mit den Schülerinnen und Schülern umzusetzen. LABS for CHIPS unterstützt diese Idee mit der Anschaffung von Mikrocontollern, Mikroprozessoren, Aktoren und Sensoren sowie von Verbrauchsmaterial.

Das Gymnasium Athenaeum in Stade wird am Robotik-Wettbewerb „RoboCup-Rescue-Line“ teilnehmen, bei dem ein mit viel Elektronik ausgerüsteter Lego-Roboter Wegbeschreibungen folgen muss, um an deren Ende ein „Opfer“ zu bergen. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln die Verfolgungstechnik mit farbigen Leuchtdioden und einem Farbsensormodul sowie eine geeignete Schrittmotoransteuerung. Wer an dem Roboter kein Interesse hat, entwickelt für den Physikunterricht eine elektronische Messeinrichtung, die ein Weg-Zeit-Diagramm der beschleunigten Bewegung an einer geneigten Ebene automatisch erstellt. Das macht den elementaren Mechanik-Versuch spannend, weil das Experiment durch diese Entwicklung als Schülerübung möglich wird.

Im Chemie-Unterricht der Jahrgangsstufe 12 werden Farbstoffe mit fotometrischer Analyse untersucht, also deren Konzentration in Lösungen durch die Absorption von Licht gemessen. Am Reinhard-und-Max-Mannesmann-Gymnasium in Duisburg müssen die Schülerinnen und Schüler bald nicht mehr dem Lehrerexperiment vertrauen, sie können die Messungen selbst durchführen. Dazu bauen sie zwölf Schüler-Fotometer zusammen. Dabei lernen sie auch etwas über die Funktionsweise der Elektronik-Komponenten, löten diese zusammen und drucken die Gehäuse mit einem 3D-Drucker selbst. LABS for CHIPS finanziert die elektronischen Bauteile, eine Lötstation und den 3D-Drucker.

Mechanik und Elektronik sind die Themen eines Schülerferienprogramms der Hochschule West am Campus Bottrop. Zuerst lernen die Schülerinnen und Schüler von einer Bauingenieurin das elementare Wissen für die Gebäudekonstruktion eines Modellhauses. Dabei spielen auch 3D-gedruckte Komponenten eine Rolle, die vorher mittels eines CAD-Programms konstruiert wurden. Die Häuser werden anschließend mit Mikroelektronik ausgestattet, die sie zu einem „Smart Home“ machen. Mehrere dieser Häuser gruppieren die Schülerinnen und Schüler dann zu einem kleinen Ort, durch den ein Roboterauto fährt, das sich unter anderem an Fahrbahnmarkierungen orientiert.

Den Mathematik-Unterricht in die Tat umzusetzen, das ist das Ziel des Gymnasiums Gröbenzell mit der MINT-Maker-Mittagspause. Dann können Schülerinnen und Schüler mathematische Funktionen nicht nur zeichnen, sondern gewissermaßen fühlen. Sie bauen ein Funktionsmodell, mit dem man Graphen einer Funktion mittels Abstandssensor nachzeichnet – die zwei Dimensionen im flachen Schulheft werden quasi mit ruhiger Hand in die dritte Dimension des Abstands umgesetzt. Ist die Schaltung mit einem Raspberry Pi erst einmal aufgebaut, wird sie als elektronisches Spiel auf Schulfesten verwendet.

Die Schülerinnen und Schüler der Darmstädter Edith-Stein-Schule entwickeln einen perfekten Zufallszahlengenerator, der auf dem physikalisch bedingten Rauschen eines Elektronikbauteils basiert. Die von Computern üblicherweise erzeugten Zufallszahlen sind dagegen nur pseudo-zufällig, da sie letztlich errechnet sind. Das macht Verschlüsselungen unnötig unsicher, hier kann die Schüleridee Abhilfe schaffen. Da der Schaltungsaufbau als provisorische „fliegende Schaltung“ nicht immer saubere Signale erzeugt, schafft die Schule mit Hilfe von LABS for CHIPS die Hilfsmittel für die Herstellung professioneller Platinen mit oberflächenmontierten Bauelementen (engl. Surface-mount device, SMD) an.