fischertechnik-ag Konzeption

fischertechnik-ag Konzeption Dirk Fox Secorvo Security Consulting GmbH Version 1.1 Stand 09. September 2014 Inhaltsübersicht 1 Hintergrund... 2 2 Zielsetzung... 2 3 Lerninhalte... 3 4 Ablauf... 3 5 Zielsetzung... 4 5.1 Präsentationen... 4 5.2 RoboCup... 4 6 Betreuung... 5 7 Materialbedarf... 5 8 Finanzierung... 6 9 Anhang: Modellbeispiele... 8 Abkürzungen CAD I²C LED NWT USB Computer Aided Design Inter-Integrated Circuit Light-Emitting Diode Naturwissenschaft und Technik Universal Serial Bus Historie Version Datum Änderung Autor 1.0 12.04.13 Erstfassung Dirk Fox 1.1 19.10.13 Dirk Fox fischertechnik-ag Konzeption Seite 1 von 11

1 Hintergrund Deutschland verdankt seinen Wohlstand der hohen Qualität seiner technischen Produkte und der daraus resultierenden weltweiten Nachfrage. Die Aufrechterhaltung dieses Vorsprungs wird angesichts der Entwicklungssprünge anderer Staaten (vor allem Indiens und Chinas) und des Bevölkerungsrückgangs in Deutschland zukünftig zur Herausforderung. Daher kommt der frühen Vermittlung eines Grundverständnisses für technische Zusammenhänge und der Weckung von Begeisterung für technische Fächer (Maschinenbau, Elektrotechnik, Informatik) eine wachsende Bedeutung zu. Ähnlich wichtig wird die Fähigkeit zur eigenständigen Entwicklung von Problemlösungen. Diese Fertigkeiten lassen sich besonders gut in (freiwilligen) Projektarbeiten zu technischen Aufgabenstellungen in kleinen Teams vermitteln, bei denen Schülerinnen und Schüler nach Neigung, Vorkenntnissen und Interesse zwischen unterschiedlichen Themen und Schwierigkeitsgraden wählen können. Dazu soll am Bismarck-Gymnasium eine fischertechnik-ag für an technischen Themen interessierte Schülerinnen und Schüler der Klassen 7-10 beitragen. 2 Zielsetzung Die fischertechnik-ag soll den teilnehmenden Schülerinnen und Schülern auf spielerische Art und Weise im Rahmen von kleinen Entwicklungsprojekten elementare Kenntnisse der Mechanik, Elektromechanik, Elektronik, Optik und Informatik vermitteln, die Entwicklung von Modellen zur Veranschaulichung physikalischer Phänomene und darauf basierender technischer Entwicklungen (bspw. Dampfmaschine, Elektromotor) ermöglichen und in die Konstruktion und Programmierung einfacher programmgesteuerter Modelle der angewandten Informatik (Roboter, automatische Steuerungen, Nachrichtenübermittlung) einführen. Begleitend wird die Dokumentation der Modellentwicklung geübt (Aufgabenstellung, Lösungsweg, ggf. Rechenwege zur Analyse der Lösungsansätze, Fotos und 3D-Entwürfe der Modelle). Die Wahl von fischertechnik als einheitliches und bewährtes Baukastensystem verkürzt die Einarbeitungszeit für die unterschiedlichen Modelle und Aufgabenstellungen und reduziert den Materialbedarf, da bei allen Aufgaben dieselben Grundelemente zur Anwendung kommen. Durch die Teilnahme an Wettbewerben (z. B. dem jährlichen RoboCupJunior) und die Präsentation der Arbeitsergebnisse, bspw. im Physikunterricht oder einmal jährlich im Rahmen des Bismarck-Forums sowie als Film auf der Webseite des Bismarck-Gymnasiums oder in einem eigenen youtube-kanal der AG, soll ein zusätzlicher Ansporn geschaffen werden. Im Laufe der Zeit sollen zudem Lehrmaterialien (Aufgabenstellungen mit Musterlösungen, Modellentwürfe für den Physikunterricht etc.) entwickelt werden, die sich als Funktionsmodelle auch für den Einsatz im regulären Schulunterricht eignen. fischertechnik-ag Konzeption Seite 2 von 11

3 Lerninhalte Die folgenden Themen werden je nach in der AG vertretenen Altersklassen und vorhandenen Vorkenntnissen im Verlauf der AG als Modellvorschläge vorgestellt: Statik (Brücken, Dreh-, Klapp- und Hubbrücken, ) Getriebe (Gangschaltung, Kupplung, Kardan- und Riemengetriebe, Viergelenkgetriebe, Planetengetriebe/Differential, Kurbelschwinge, Gleichlaufgetriebe Modelle: Hebebühne, Scheibenwischer, Uhr, Fahrzeug mit Vierganggetriebe, Planetarium, ) Antriebe (Raupenantrieb, Vierradantrieb mit Lenkung, Hubschrauberrotor, ) Messung physikalischer Größen (Waagen, Drehzahlmessung, Rundenzähler, Geschwindigkeitsmessung, ) Dampfmaschine (Entwicklung eines Luftdruckmotors ) Schaltungstechnik (Endlagenschalter, Dioden, Relais Modelle: Garagentor, Ampelsteuerung, ) Elektromagnetismus (Konstruktion eines Elektromotors, 50-Hz-Antrieb einer mechanischen Uhr) Nachrichtenübertragung (Morsecode, Bluetooth-Kommunikation, ) Logik (Konstruktion elektromechanischer Logikbausteine) Programmierung (Ansteuerung von I²C-Sensoren und Aktoren, Plotter, ) Codierung (Barcodes, CD-Spieler, Programmierung eines Atomzeit-Empfängers mit LED- Anzeige) Robotik (Bau eines Spurfolgers, Labyrinthroboters, Einparkautomatik, ) Dabei wird jeweils auch Material angeboten, das in die jeweiligen physikalischen, mathematischen und algorithmischen Grundlagen einführt und deren Erarbeitung durch die Schülerinnen und Schüler motiviert. Auch technikgeschichtliche Aspekte (Erfinder, historischer Kontext und gesellschaftliche Auswirkungen) sollen bei einzelnen Aufgabenstellungen (Dampfmaschine, Uhr, Elektromotor, ) einfließen und von den Schülerinnen und Schülern erarbeitet und dokumentiert werden. Außerdem können Aufträge von Kollegen zur Entwicklung von Modellen für den Physik- oder NWT-Unterricht an die AG weitergegeben werden. 4 Ablauf Die fischertechnik-ag findet einmal wöchentlich in den Räumen des Bismarck-Gymnasiums statt (90 Minuten). Mit Rücksicht auf die erforderliche Eingewöhnung im fünften Schuljahr und die Vorbereitung auf das Abitur sollte die Teilnahme auf die Klassen 7-10 beschränkt sein. Die Teilnehmer der Klassen 9-10 haben Mentorenfunktion und leiten neben der Entwicklung ihrer eigenen Projekte die Teilnehmer fischertechnik-ag Konzeption Seite 3 von 11

Die Zahl der Teilnehmer ist zunächst auf höchstens 10 (Klassen 7-8) zuzüglich vier Mentoren (Klassen 9-10) begrenzt; gestartet wird mit bis zu 20 Teilnehmern. Die Teilnehmerzahl kann bei entsprechendem Interesse und abhängig von der Anzahl der verfügbaren Betreuer und nutzbaren Räumlichkeiten sowie des verfügbaren Materials erweitert werden. Da in der AG Aufgabenstellungen mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad angeboten werden und die Aufgaben meist verschieden schwierige Teilaufgaben umfassen, die in Teams von 2-4 Schülerinnen und Schülern bearbeitet werden können, lassen sich Altersund Wissensunterschiede voraussichtlich ausgleichen. Die Aufgabenstellungen können mit den Unterrichtsinhalten der Fächer NWT und Physik abgestimmt werden und die Ergebnisse den Unterricht ergänzen. Zur Programmierung der Controller wird nach Möglichkeit die bestehende Rechnerausstattung des Bismarck-Gymnasiums genutzt. Die erforderlichen Schullizenzen für die Programmierumgebung Robo Pro und das CAD-Programm fischertechnik Designer werden von der fischertechnik-ag beschafft und die Software auf den Rechnern installiert. Für die Programmierung der Controller ist lediglich eine USB- oder eine Bluetooth- Schnittstelle erforderlich. Die Teilnehmer der AG dokumentieren die Aufgabenstellung und die erarbeiteten Lösungen in einem Laborbuch. Dabei kann der fischertechnik Designer, ein für fischertechnik-modelle entwickeltes CAD-Programm zum Einsatz kommen. Abschließend erstellen die Teams zu ihrem Projekt eine schriftliche Dokumentation, die den Lösungsweg, die technischen, mathematischen und ggf. historischen Hintergründe und eine Anleitung für den Nachbau umfasst, ggf. ergänzt um eine Abschlusspräsentation. Die Arbeitsergebnisse der AG werden einmal jährlich vorgestellt; herausragende Arbeiten können z. B. im Rahmen des Bismarck-Forums präsentiert werden. Als zusätzliche Motivation der Teilnehmer wird eine Teilnahme mit mindestens einer Mannschaft am jährlichen Robocup (regionale Vorentscheidungen, Hauptwettkampf im Oktober in Magdeburg) angestrebt. 5 Zielsetzung 5.1 Präsentationen Die in der fischertechnik-ag entwickelten Modelle sollen von den Teilnehmern dokumentiert und in der zweiten Schuljahreshälfte präsentiert werden. 5.2 RoboCup Jährlich findet der internationale RoboCup statt, in dem in nationalen (RoboCup German Open in der Messe Magdeburg, April) und einem internationalen Wettbewerb in mehreren Robotik-Disziplinen Teams mit selbst entwickelten Robotern gegeneinander antreten. Für Teilnehmer im Alter von 10-19 Jahren wird dabei der RoboCup Junior mit den Wettbewerben Rescue A, Dance und Soccer ausgetragen. Die Teilnehmerteams treten in den Altersklassen Primary (am 01.07. des Wettkampfjahres jünger als 15 Jahre) und Secondary (am 01.07. des Wettkampfjahres jünger als 20 Jahre) fischertechnik-ag Konzeption Seite 4 von 11

an. Die Teilnahme an den German Open setzt die Qualifikation an einem von fünf Qualifikationswettbewerben (in Mannheim, Vöhringen, Sankt-Augustin, Berlin und Hannover im Februar/März) voraus, zu denen sich die teilnehmenden Teams bis Ende November des Vorjahres anmelden müssen. Besonders interessant und anspruchsvoll sind die Wettbewerbe Rescue A, in dem ein Roboter ein Objekt in einem Labyrinth (Spur, Hindernisse, Rampe) finden und an einen gesicherten Ort transportieren muss, und Soccer, in dem Roboter-Teams gegeneinander Fußball spielen. Für Soccer gibt es auch einen Einsteigerwettbewerb, in dem nur zwei einzelne Roboter gegeneinander spielen. 6 Betreuung Für die Betreuung wird zunächst eine Lehrkraft (zzgl. einer Vertretung) für wöchentlich zwei Schulstunden benötigt. Für eventuelle Fahrten zu Qualifikationsturnieren, Wettbewerben oder Museen und Ausstellungen sind entweder eine zusätzliche Lehrkraft oder ein Elternteil erforderlich. 7 Materialbedarf Sofern das Computerlabor des Bismarckgymnasiums für die Programmierung von Robotermodellen genutzt werden kann, beschränkt sich der Materialbedarf auf fischertechnik-baukästen, fischertechnik-sortierkästen (für die geordnete Aufbewahrung von Teilen), ausgewählte I²C-Sensoren und -Aktoren, Schullizenzen für fischertechnik Designer (CAD-Programm) und Robo Pro sowie ein Übungs-Labyrinth (im Falle einer Teilnahme am Robocup). Mit der Zeit ist auch in gewissem Umfang mit Ersatzbeschaffungen zu rechnen. fischertechnik-ag Konzeption Seite 5 von 11

8 Finanzierung Die initialen Kosten für die Erstausstattung mit fischertechnik-baukästen belaufen sich auf insgesamt ca. 3.500 (abzüglich etwaiger Rabatte) und setzen sich wie folgt zusammen: Kasten Einzelpreis Anzahl Gesamt Mechanik + Statik 100 2 200 Super Cranes 130 2 260 Power Machines 200 1 200 XL Bulldozer 80 2 160 Cars & Drives 70 1 70 Dynamic 100 1 100 Pneumatic 3 110 1 110 Technical Revolutions 80 1 80 Optics 80 2 160 Robo TX Training Lab 300 2 600 Robo TX Explorer 180 1 180 Robo TX ElectroPneumatic 180 1 180 Creativ Box 1000 100 3 300 Box 1000 30 10 300 Power Set 50 2 100 Accu Set 60 1 60 Accu Pack 25 1 25 Power Netzgerät 20 2 40 Control Set 70 1 70 Robo TX Controller 200 0 Robo I/O-Extension 70 2 140 Robo Pro Software (Schullizenz) 110 1 110 fischertechnik Designer 117 1 117 Hinzu kommen im Falle einer Teilnahme am RoboCup die Kosten für ein Modell-Labyrinth (siehe Abb.), das entweder im Eigenbau entwickelt werden muss oder in Höhe von ca. 1.000. fischertechnik-ag Konzeption Seite 6 von 11

Abb.: Modell-Labyrinth für Robo Rescue Cup Weiter ist mit laufenden Kosten für Ersatz- und Neubeschaffungen in Höhe von ca. 500 bis 1.000 pro Jahr zu rechnen; außerdem fallen ggf. Reisekosten für die Teilnahme an Wettbewerben wie dem RoboCup an. fischertechnik-ag Konzeption Seite 7 von 11

Bismarck-Gymnasium Karlsruhe 9 Anhang: Modellbeispiele Abb.: Modell eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit Dreiganggetriebe und Lenkung Abb.: Beispiel für einen Spurfolger fischertechnik-ag Konzeption fischertechnik-ag 04.doc Konzeption Seite 8 von 11 Stand 09. September 2014

Bismarck-Gymnasium Karlsruhe Abb.: Funktionsmodell Dampfmaschine ( Luftmotor ) Abb.: Uhrwerk fischertechnik-ag Konzeption fischertechnik-ag 04.doc Konzeption Seite 9 von 11 Stand 09. September 2014

Abb.: Funktionsmodell Hubschrauberrotor mit Taumelscheibe fischertechnik-ag Konzeption Seite 10 von 11

Bismarck-Gymnasium Karlsruhe Abb.: DCF77-Atomzeitempfänger mit LED-Anzeige Abb.: Elektromotor (600 U/min) fischertechnik-ag Konzeption fischertechnik-ag 04.doc Konzeption Seite 11 von 11 Stand 09. September 2014