Unterricht und Projektarbeit

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1 Beruflich Gymnasiale Oberstufe am Beruflichen Schulzentrum Odenwaldkreis Unterricht und Projektarbeit zwischen schulischen Lehrplänen und universitärem Arbeitsniveau Dr. rer. nat. Andreas M. Seifert Diplom-Physiker

2 Arbeiten jenseits des Lehrplans Ziel: Etablierung eines universitären Klimas im Kleinen Räumliche Voraussetzungen: Projektraum Arbeitsgebiet: MINT und Musik Gerätetechnische Voraussetzungen Vorlesungen: Zusatzfach Physical Computing Seminare: Kleinstveranstaltungen für interessierte Schüler Tagungen: Schülerwettbewerbe Diplomarbeit: Besondere Lernleistung im Rahmen der Abiturprüfung Leitgedanken Qualität statt Quantität! Konsequente Weiterentwicklung von Ideen und Projekten!

3 The Sound of Science & Engineering M athematik I nformatik N aturwissenschaften T echnik Periodische Funktionen, trigonometrische Funktionen, Mathematik der Schwingungen und Wellen, komplexe Zahlen, Differentialrechnung, Fouriersynthese u. analyse, Differentialgleichungen, numerische Verfahren u. v. m. Anwendung hochspezialisierter Musiksoftware, Mikrocontroller-Programmierung in C/C++, Entwicklung maßgeschneiderter Algorithmen, Echtzeit-Programmierung, Entwicklung von Treiber-Software, Interface- Programmierung, Computersimulation u. v. m. Physik der Schwingungen und Wellen, Akustik, Sensoren, Physik der Musikinstrumente, Neurologische Aspekte der Psychoakustik, akustische Täuschungen u. v. m. Elektrotechnik, Elektronik, exotische analoge Bauteile und Chips, Messtechnik, Regelungstechnik, Nachrichtentechnik, Digital Signal Processing, Mikrocontroller, Interfacing, handwerkliche Fertigkeiten

4 The Sound of Science & Engineering M athematik I nformatik N aturwissenschaften T echnik Periodische Funktionen, trigonometrische Funktionen, Mathematik der Schwingungen und Wellen, komplexe Zahlen, Differentialrechnung, Fouriersynthese u. analyse, Differentialgleichungen, numerische Verfahren u. v. m. Anwendung hochspezialisierter Musiksoftware, Mikrocontroller-Programmierung in C/C++, Entwicklung maßgeschneiderter Algorithmen, Echtzeit-Programmierung, Entwicklung von Treiber-Software, Interface- Programmierung, Computersimulation u. v. m. Physik der Schwingungen und Wellen, Akustik, Sensoren, Physik der Musikinstrumente, Neurologische Aspekte der Psychoakustik, akustische Täuschungen u. v. m. Elektrotechnik, Elektronik, exotische analoge Bauteile und Chips, Messtechnik, Regelungstechnik, Nachrichtentechnik, Digital Signal Processing, Mikrocontroller, Interfacing, handwerkliche Fertigkeiten

5 Arbeitsgebiet I: MIDI-Kommunikation Serielle Kommunikation zwischen Instrumenten und kommerziellen oder selbstentwickelten Steuergeräten virtuell-analoger Synthesizer (z. B. Roland GAIA SH-01) MIDI-Schnittstellenmodul Mikrocontroller-Board (Arduino, AVRmega328) Beispiele: Sequencer, Drum-Machines, Entwicklung exotischer Controller, Sensorik

6 Hintergrund: MIDI MIDI: Musical Instrument Digital Interface MIDI IN THRU OUT Typische Merkmale: Austausch von Steuerdaten zwischen Musikinstrumenten allgemein anerkannter und etablierter Standard serielle Übertragung (31250 Bit/s) mittels Stromschleife unidirektional MIDI-Byte Datenbyte 0 X X X X X X X Statusbyte 1 X X X X X X X Klassifizierung der hier wichtigsten MIDI- Bytes ( Softwaremodul MidiDecoder) NOTE ON (0x9n) NOTE OFF (0x8n) CONTROL CHANGE (0xBn) Channel Voice/Mode 1 X X X n n n n 0x8 0xE MIDI-Kanal System Common X X X X 0xF RX Mikrocontroller START SYS EX, SOX (0xF0) END SYS EX, EOX (0xF7) Non Real Time X X X CLOCK (0xF8) Real Time X X X TX Typische MIDI-Schnittstelle

7 Arbeitsgebiet II: Analoge Synthesizer Typische Merkmale: subtraktive Klangsynthese (Filterung obertonreicher Schwingungen) modulare Architektur, Klangbaukasten Spannungssteuerung klangrelevanter Parameter (VC: Voltage Controlled) Monophonie ( keine Akkorde ) Audio CV GATE VCO VCF VCA Ausgang (Audio) Keyboard, MIDI-to-CV/GATE- Interface LFO ADSR 1 ADSR 2

8 Hintergrund: Simulation analoger Schaltungen Ersatz aufwendiger und häufig unflexibler Analogschaltungen Envelope Generator (ADSR) durch mikrocontrollerbasierte Simulationsschaltungen

9 Zusatzfach: Physical Computing (Q1/Q2) Kreative Anwendungen der Mikrocontrollertechnik interessanter Mix aus Hard- und Softwaretechnik, Interface-Techniken, (Digital-)Elektronik, Sensorik, Regelungstechnik u. v. m. Entwicklung und Bau eigenständiger Geräte für verschiedenste Anwendungen

10 Besondere Lernleistung: Merkmale (weitgehend) selbstständige wissenschaftliche Arbeit vergleichbar mit Studienarbeit, Diplomarbeit an der Uni nicht unbedingt eine Erfindung notwendig, auch neue Aspekte, Ideen, Ergänzungen zu bereits bekannten Themen geht deutlich über den Stoff der Lehrpläne hinaus idealerweise (aber nicht zwangsläufig) interdisziplinär (Blick weit über den Tellerand eines einzelnen Fachs) Themen nach Absprache (Themen vom Lehrer, Aber auch eigene tragfähige Ideen) Gruppenarbeiten möglich, wenn Teilbeiträge klar zugeordnet werden können

11 Besondere Lernleistung: Anforderungen gute schulische Leistungen in den fachspezifischen Fächern gute schulische Leistungen im Allgemeinen (damit die BLL nicht zu einer Überbelastung führt) Ergebnisse des GEVA-Tests ( Kann ich selbstständig auf überdurchschnittlichem Niveau arbeiten? ) Vorkenntnisse (Hobbys o. ä. ) Motivation und Spaß am Forschen Leistungsbereitschaft und Durchhaltevermögen genügend verfügbare Zeit

12 Besondere Lernleistung: Chancen wissenschaftliches Arbeiten bereits an der Schule unschätzbare Hilfe bei Wahl eines Studien- oder Ausbildungsfachs Erwerb überdurchschnittlicher Fach-, Methoden-, Problemlösungskompetenz das gute Gefühl, etwas zu leisten, was in dieser Form nicht jeder leisten kann Kreativität ( die Fesseln der Lehrpläne sprengen ) Wettbewerbsteilnahme mit allen damit verbundenen Vorteilen Persönlichkeitsentwicklung

13 Besondere Lernleistung: Zeitplan Auftakt: Suche bzw. Grobformulierung eines Themas (Q1) Erste Experimente, Berechnungen etc. ( Tragfähigkeit des Themas ) Eigentliche Bearbeitungszeit Offizielle Anmeldung (Anfang Q3) Fein-, Nachjustierung Verfassung der schriftlichen Arbeit Abgabe der Arbeit (Q4) Vorbereitung der Präsentation/Prüfung Finale: Präsentation/Prüfung im Rahmen der Abiturprüfung

14 Erfolgreiche Wettbewerbsteilnahme Jugend forscht 2010: Bundessieg Physik 2013: Landessieg Mathematik Christian-Ernst-Neef-Preis NATURpur-Award 2008 Professor-Walter-Masing-Preis Geistesblitze: Junge Odenwälder forschen

15 Kooperation Seifert (BSO) / DHBW Mosbach Honorardozent am Fachbereich Mechatronik der DHBW Vorlesungen Elektrotechnik I, II und Elektronik I, II Wechselseitige Inspiration und Transfer zwischen Studienarbeiten an der DHBW und Arbeiten am BSO

16 On the road: Hessentag 2014 in Bensheim NATURpur-Award 2008 Professor-Walter-Masing-Preis Wie bei der DB: Führerstandssimulator