Erfolgreiches Experiment
Wichtig ist bei den Versuchen, dass die Kinder nicht unter Zeitdruck geraten und dass die Ergebnisse positiv und erfolgreich das Experiment abschließen. Der Betreuer sollte daher den Versuch im Vorfeld vorbereitet haben, bzw. sich in die Materie eingearbeitet haben.
Für LEGO® Mindstorms heißt das, der Betreuer sollte die Bauteile und ihre Verwendung kennen sowie die Software beherrschen. Es genügt meist schon, den Versuch einmal vollständig selbst durchzuführen.
Bei UMT sollte die Benutzung der Vorrichtungen klar sein. Eine kurze Einweisung für die Schüler reicht im Grunde schon, um sie größtenteils selbständig arbeiten zu lassen. Der Betreuer sollte das Werkstück im Vorfeld gebaut haben, um auf etwaige Schwierigkeiten und Fragen der Schüler reagieren zu können.
Abbildung 17: Stolze Konstrukteure
Besonderheiten der Lehr- und Lernweise / Didaktik
Oft ist es so, dass die Lehrer die Kinder zu viel anleiten. Beim Experimentieren darf auch gerne etwas schief gehen. Wenn der Fehler dann erkannt wird, und die Kinder selbst die Lösung finden, ist das erlernte Wissen umso tiefer.
Der Betreuer sollte also die Schüler nur in die richtige Richtung lenken aber nicht die Lösung vorwegnehmen.
Zum Beispiel werden die Fahrzeuge in den LEGO®-Versuchen mit zwei Motoren versehen. Die Lenkung ist dann nach dem Prinzip „Rollstuhl“
möglich. Man kann also über den Umweg „stellt euch mal vor, wie ihr eine Kurve mit einem Rollstuhl fahrt, was müsstet ihr dafür tun?“ schnell auf die
eigentliche Lösung kommen und die zwei Motoren mit unterschiedlicher Geschwindigkeit programmieren.
Es ist auch üblich, dass die Gruppen nicht gleich schnell arbeiten. Der Betreuer sollte darauf eingehen und nicht versuchen, alle zum gleichen Tempo zu bringen.
Wenn die Schüler mitten im Versuch sind, ist es schwer alle zum Zuhören zu bringen. Daher sollte der Betreuer jeder Gruppe, angelehnt an den jeweiligen Fortschritt des Versuchs, einzeln helfen. Das beinhaltet vielleicht, dass man ein Problem viermal erklärt, kommt dafür aber auch bei allen Schülern an und kann sofort umgesetzt werden.
Gruppenarbeit
Wenn möglich werden die Gruppen aufgeteilt in Jungen und Mädchen.
Jungen und Mädchen haben eine verschiedene Herangehensweise an das Thema Technik selbst, sowie an die Durchführung des jeweiligen Versuches. Beide Gruppen erzielen mit genau denselben Erklärungen und Hilfestellungen nach der gleichen Zeit das vorgegebene Ziel, nur das Beschreiten des Weges ist anders.
Während Jungs gleich in den Teilen der LEGO® Kästen drauf los wühlen, sind Mädchen zu Anfang eher bedacht und verschaffen sich erst einen Überblick. Sie gehen systematisch vor und arbeiten vom Anfang zum Ende eines Versuchs.
Mädchen möchten, dass ihr Fahrzeug eine Art Persönlichkeit besitzt. Sie verzieren es schon, noch bevor die eigentliche Fahrtüchtigkeit sichergestellt ist. Jungs möchten einen Panzer oder einen Truck als ihr Fahrzeug. Groß und schnell soll es sein.
Durch die Geschlechter-Trennung beugt man vor, dass die Jungs die Mädchen ausbremsen. Oftmals sind die Jungs routinierter im Umgang mit LEGO® und beanspruchen daher alles für sich. Mädchen gehen zögerlicher ran, was aber eher mit der Scheu vor Unbekanntem zu erklären ist.
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Die zweite Voraussetzung für gute Gruppenarbeit ist, dass nicht mehr als drei Kinder in einer Gruppe zusammen arbeiten. So entsteht ein Ungleichgewicht. Wenn nun Diskussionen auftreten, kann abgestimmt werden. Bei Vierergruppen ist das schwieriger. Hier bilden sich oft zwei Zweiergruppen, die gegeneinander arbeiten.
Bei LEGO® Mindstorms sind vier Kinder an einem Kasten allein vom Platzbedarf schon schwierig unterzubringen. Wenn jetzt zwei der Schüler ein Auto mit Rädern bauen möchten und zwei Schüler lieber ein Raupenfahrzeug konstruieren, schlägt der Versuch fehl, weil später nur ein Fahrzeug programmiert werden kann.
Ein Versuch sollte nicht von mehr als zwölf Schülern gleichzeitig bearbeitet werden.
Der Betreuungsaufwand wird sonst zu groß. Die Kurse im TEK-Point sind für zwölf Kinder und zwei Betreuer ausgelegt. Wenn das Angebot regelmäßig genutzt wird und die Schüler die Einrichtung und den Umgang mit der Experimentier-Hardware kennen, ist es sicherlich kein Problem, mit nur einem Betreuer den TEK-Point zu nutzen.
Zielgruppe
Der TEK-Point ist für Grundschulen konzipiert. Zielgruppe ist hierbei die dritte und vierte Klasse. Es ist sicherlich auch denkbar, die Versuche an die erste und zweite Klasse anzupassen, wobei das mit Vorsicht zu genießen ist. Technik basiert auf einem Grundverständnis. Es macht den Zweitklässlern bestimmt ebensoviel Spaß mit LEGO® zu spielen, jedoch wird der Lernerfolg damit gering sein, weil sie die Anwendung dahinter nicht erkennen. Auch kann in derselben Zeit nicht das gleiche Ziel erreicht werden wie mit Dritt- und Viertklässlern. Der Betreuer muss mehr Inhalte erklären und den Gruppen helfen, um das Experiment zum Erfolg zu führen.
Das Ausbauen der Versuche für höhere Klassen ist dagegen kein Problem. UMT sowie LEGO® Mindstorms eignen sich dafür. Auch die Papierbrücke wird teilweise noch in höheren Klassen gebaut.
Das Programm Robolab von LEGO® Mindstorms hat zwei verschiedene Oberflächen (Pilot und Inventor) um Modelle zu programmieren. Mit den Grundschülern wird die einfachere Möglichkeit (Pilot) angewandt. In der schwierigeren Oberfläche (Inventor) können auch Schleifen und intensivere Programmierarbeiten realisiert werden. Es eignet sich daher auch gut für höhere Klassen und für länger dauernde Projekte.
Bei UMT können eigene Modelle am Rechner mit einem CAD-Programm erstellt und danach gebaut werden.
Nutzung
Eine Grundschule kann den TEK-Point für ihre Klassen verwenden.
Um den TEK-Point auszulasten, kann das Nutzungsangebot auch für Grundschulen angrenzender Gemeinden ausgeweitet werden. Regelmäßige Nutzung zum Beispiel durch freiwillige AGs vereinfacht die Organisation.
Betreuung
Um den Raum für interessierte Kinder zu öffnen aber den Aufwand nicht nur den Lehrern aufzubürden, könnte man interessierte Eltern und Großeltern/Pensionäre für eine Betreuung im Raum gewinnen.
Abbildung 19: Student bei der Betreuung eines Versuchs
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5 Versuche
Die Versuche sind so gestaltet, dass sowohl die Schüler als auch die Betreuer eine Anleitung zum Experiment vorliegen haben. Außerdem sind die Versuche so angelegt, dass die Endergebnisse nach zwei bis drei Zeitstunden erreicht werden können und ein weiterer Besuch dafür im TEK-Point nicht nötig ist.
Bei UMT-Versuchen ist es kein Problem, den Versuch auf mehrere Besuche im TEK-Point auszudehnen. Die Bauteile können in Kisten oder Tüten aufbewahrt und beim nächsten Besuch weiter bearbeitet werden.
Für LEGO®-Versuche ist diese Vorgehensweise schwieriger, da der Versuch in Bau und Programmierung aufgeteilt wird. Wenn das jeweilige Fahrzeug fertig ist, wird programmiert. Falls man den Versuch nach eineinhalb Stunden abbricht, müsste man auch die Fahrzeuge wieder auseinanderbauen, da andere Gruppen unter Umständen das Equipment nutzen wollen. Beim nächsten Besuch müssten die Fahrzeuge also nochmals vor dem Programmieren zusammengebaut werden. Falls man die unfertigen Fahrzeuge liegen lassen kann, ist das Abbrechen eines Versuchs natürlich kein Problem.
Die Betreuer sollten sich im Vorfeld das Experiment durchlesen und das Material auch selbst ausprobiert haben und beherrschen. Hilfestellung geben hierbei die Versuchsbeschreibungen bzw. die Beschreibungen der einzelnen Systeme.
Komplexere Systeme, wie zum Beispiel das LEGO® Mindstorms System mit der dazugehörigen Software, setzen jedoch eine tatsächliche Einarbeitung voraus. Der Betreuer muss auf Fragen von Schülern vorbereitet sein. Dafür steht auch das mobile LEGO®-Mindstorms-Set zum Ausleihen zur Verfügung.
Die Versuchsbeschreibungen für Betreuer und Schüler zu den Versuchen LEGO® Mindstorms I und II sowie zum Papierbrückenbau befinden sich im Anhang.
Die Versuche dürfen sich nicht am Lehrplan der Schulen orientieren, da sonst die Gemeinnützigkeit nicht gegeben ist. Dass es jedoch Überschneidungen mit Inhalten gibt, welche im Schulstoff allgemein vorkommen, kann nicht vermieden werden.
Schließlich sind die physikalischen und technischen Grundlagen die gleichen.
Jedoch können im Technik-Experimentierlabor Lerninhalte auf eine andere Art und Weise vermittelt werden. Die Schüler sind aktiv am Versuch beteiligt, und die Dauer der Experimente überschreitet mit zwei bis drei Stunden eine gewöhnliche Schulstunde.
Ziel ist es auch nicht, den in der Schule gelernten Stoff mit einem Experiment zu festigen, sondern die Schüler für die Technik zu begeistern. Ihnen soll eine eindrucksvolle und bleibende Erinnerung ermöglicht werden. Das positive Erleben von Technik steht im Vordergrund.
Die Versuche sollen explizit Technik und ihre Anwendung darstellen. Gleichzeitig sollen sie aber nicht die Schüler mit Komplexität abschrecken. Die Kinder sollen nach einem Besuch im Technik-Experimentierlabor sagen können „das funktioniert so“, oder „das hab ich gemacht!“ Daher ist ein Gelingen des Experimentes wichtig.
Sukzessive soll der Bestand an Experimenten für das Technik-Labor weiter ausgebaut werden.
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Anhang
Projektpartner
Die Umsetzung der Projektidee „Technik-Experimentierlabor“ erfolgte durch die Kooperation des Studiengangs Mechatronik und Mikrosystemtechnik der Hochschule Heilbronn und der Neubergschule Neckarsulm. Verantwortlich waren Studiengangsleiter Prof. Dr.-Ing. Jörg Wild und Rektor Hans Peter Brugger, die persönlich hinter dieser Idee standen und sie verwirklichen wollten. Die Federführung lag bei der Hochschule Heilbronn, die ihre Kompetenz in der Technik einbrachte. Ein weiterer unterstützender Partner war der Verein Faszination Technik e. V., der vom Präsidenten der IHK Heilbronn-Franken und dem Rektor der Hochschule Heilbronn im Dezember 2004 gegründet wurde. Zuvor initiierte die IHK Heilbronn-Franken im September 2002 erfolgreich Aktivitäten für Jugendliche unter diesem Logo.(www.faszinationtechnik-bw.de).
Kooperationspartner 1 (federführend) Hochschule Heilbronn
Prof. Dr.-Ing. Jörg Wild
Studiengangsleiter Mechatronik und Mikrosystemtechnik Max-Planck-Str. 39
Neubergschule, Grundschule Neckarsulm Rektor Hans Peter Brugger
Berliner Str. 11 74172 Neckarsulm
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Kooperationspartner 3 (unterstützend) Geschäftsstelle Faszination Technik e.V.
c/o Hochschule Heilbronn
Prof. Dr.-Ing. Rainer Schmolz, Geschäftsführer Max-Planck-Str. 39
Lego Mindstorms und UMT
LPE Technische Medien GmbH Schwanheimer Str. 27
69412 Eberbach
Tel.: 06271 / 923410 Fax: 06271 / 923420
Webseite: www.technik-lpe.de E-Mail: info@technik-lpe.com
Beschützende Werkstätten Bruchsal:
Tische in Maßanfertigung
Lebenshilfe für Menschen mit Behinderungen Bezirk Bruchsal-Bretten e.V.
Bruchsaler Werkstätten Im Fuchsloch 5
76646 Bruchsal
Tel./Fax: 06222 / 72607 Mobil: 0172 6504386
NHS Solutions
Rechner, Drucker, Projektor und Installation Netzwerk NHS solutions
Torsten Sieg Breslauer Str. 3 74172 Neckarsulm
Ditzenbacher Strasse 26 73342 Bad Ditzenbach Tel.: 07334 / 9696-0
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Internetquellen
TEK-Point
www.tek-point.de
Landesstiftung Baden-Württemberg http://www.landesstiftung-bw.de Hochschule Heilbronn
www.hs-heilbronn.de
Verein Faszination Technik
http://www.faszinationtechnik-bw.de/
LEGO® Mindstorms
http://mindstorms.lego.com/eng/default.asp LDraw, LEGO® CAD-Software
http://www.ldraw.org/
A1 Versuchsbeschreibungen zu Versuch I:
LEGO
®Mindstorms Konstruktion
BetreuerversionSCOUT – Science outlined
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Versuch I
LEGO® Mindstorms - Betreuer
Konstruktion
Der Versuch ist darauf ausgelegt, die konstruktiven Mittel und Möglichkeiten von LEGO Mindstorms zu entdecken. Die Kinder sollen konstruieren und ihre eigenen Ideen umsetzen.
Als Ziel soll ein fahrbares Gerät gebaut werden. Dabei ist die Kreativität der Kinder gefragt, denn es ist nur vorgegeben, welche Bewegungen das Gefährt am Ende können soll. Ob das Vehikel 2, 3, 4 oder mehr Räder hat, ob und wie es lenkbar ist usw. bleibt den jungen Entwicklern überlassen.
Als Hilfestellung sind einige Ideen zum Bau verschiedener Mechanismen gegeben.
Gegen Ende sollen noch erste Programme mit der Software Robolab erstellt werden, um die Funktionalität zu testen. Damit lässt sich das vorgegebene Ziel überprüfen.
Lernziel:
- Kreative Ideen von Mechanismen umsetzen - Arbeiten im Team
Zeitplan:
Insgesamt 2-3 Stunden
- 10-20 Minuten Einführung - 50-70 Minuten Bauen
- 10-20 Minuten Software erklären
- Restliche Zeit Programmierung und Erprobung der Fahrzeuge.
Einführung in LEGO® Mindstorms
LEGO® kennen bestimmt die meisten Kinder schon von zu Hause, daher ist für den Betreuer keine lange Einführung in das System nötig. Aber auch für LEGO® -Neulinge ist das System sehr einfach. Was unter Umständen nicht so bekannt ist, ist das Stecksystem mit den Löchern und Pins, welches aus dem LEGO® -Technik-System kommt. Einfach ausprobieren!
Ziel ist es ein Gefährt zu bauen, welches geradeaus und rückwärts fahren kann. Die genaue Programmierung ist weiter unten beschrieben.
Das Gefährt kann ganz unterschiedlich aussehen. 2, 3, 4, 5 oder 6 Räder; hoch oder breit; Räder oder Raupe. Die Kinder sollen zu Beginn mit wenigen grundlegenden Dingen informiert werden und sich dann überlegen, wie ihr „Auto“
aussehen soll. Nach einer kurzen Kennenlernphase, was sich alles im LEGO® -Kasten befindet, können die Schüler loslegen.
Der RCX ist Hauptbauteil von LEGO® Mindstroms. In diesem Baustein ist ein Mikro-Controller enthalten, der mit Hilfe der Robolab-Software und der Infrarotschnittstelle an den PC’s programmiert werden kann. Daher muss beim Einbau darauf geachtet werden, dass die Schnittstelle nicht durch Bausteine verdeckt wird.
Eine mögliche Lenkung kann einfach durch den Einbau von zwei Motoren realisiert werden. Dies ist das gleiche Prinzip wie bei einem Rollstuhl. Wenn später ein Motor langsamer als der andere läuft, fährt das Auto eine Kurve. Falls ein Motor vorwärts und ein Motor rückwärts läuft, dreht sich das Auto auf der Stelle. Jedoch muss darauf geachtet werden, dass sich die nicht angetriebenen Räder frei drehen können. Ein gutes Beispiel hierfür sind frei bewegliche Räder wie bei einem Einkaufswagen.
Diese folgen der jeweiligen Richtung
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Im Folgenden finden Sie einige Tipps und Ratschläge zum Bau von Fahrzeugen sowie zwei komplette Lösungen.
Raupenfahrzeug
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Fahrzeug mit Schwenkrad
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Als Alternative zu einem Schwenkrad lassen sich auch halbrunde glatte Steine als Gleitsteine unter das Fahrzeug bauen. Jedoch müssen hier die Motoren mehr leisten und die Unterlage muss glatt sein.
Um ein Dreirad zu bauen kann ein Schwenkrad oder ein Gleitstein auch vorne mittig angebracht werden.
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Ein Auto mit Hilfe von Getrieben mit mehr Kraft fahren lassen
Einen Motor einbauen
Die Achse des Motors verlängern
Einige Beispiele von Vorgängern
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Einführung in die Robolab-Software
Das Programm wird über das Icon auf dem Desktop gestartet.
Programm-Start
Auf Run Robolab klicken, folgender Bildschirm erscheint:
Unter Programmer können eigene Programme erstellt werden. Hierbei kann man wiederum zwischen Pilot 1-4 oder Inventor 1-4 auswählen. Wir verwenden Pilot 2.
Die Icons und Symbole sind meist selbsterklärend. Für weitere Unterstützung liegt auch ein Handbuch zur Robolab Software für den Betreuer aus.
Pilot II
Unter Pilot II werden zwei Ausgänge A und C gleichzeitig angesteuert. Im Beispiel links werden ein Motor und eine Lampe gesteuert. Die Zahlen 1 – 5 darunter geben die Intensität bzw. die Geschwindigkeit an und lassen sich durch Draufklicken ändern.
Die Ausgänge A und C können auch durch Draufklicken beliebig mit Motor oder Lampe beschaltet werden.
Die Ausgänge können mit dem Stopp-Schild ausgeschaltet werden.
Die beiden Ausgänge sind solange aktiv, bis der Tastschalter bei Eingang 1 betätigt wird. Hier kann eingestellt werden, ob die Taste beim Drücken oder beim Loslassen schaltet. Alternativ kann auch eine Zeit eingestellt werden bis die Eingänge A und C inaktiv werden. Mit dem Fragezeichen in der Uhr lässt sich eine beliebige Zeit in Sekunden wählen.
Bei obigem Beispiel würde der Motor am Ausgang A mit der Geschwindigkeit 3 linksrum drehen und die Lampe am Ausgang C mit der Intensität 5 leuchten, bis die Taste am Eingang 1 gedrückt wird.
Die Ampeln stehen für Programmanfang bzw. -ende. Mit dem weißen Pfeil unter dem Kasten wird das Programm auf den RCX-Baustein gespielt. Hierfür muss der RCX in Reichweite der Infrarotschnittstelle und eingeschaltet sein.
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Hier kann es vorkommen, dass der Motor in die falsche Richtung läuft. Man kann entweder im Programm die Laufrichtung des Motors ändern oder einen Anschluss des Kabels, welches zum Motor läuft um 180° umdrehe n.
Um es für die Kinder einfacher zu machen, schließen sie die Motoren richtig an:
Vorwärts ist dann im Programm der Pfeil nach rechts und rückwärts ist der Pfeil nach links.
3. Mit einem Maßband auf dem Boden wird überprüft, wie weit das Auto in einer Sekunde fährt. Der Vorgang wird ein paar Mal wiederholt, um zu testen, ob es immer der gleiche Wert ist. Die Kinder sollen die Ergebnisse aufschreiben.
4. Dasselbe wird mit Rückwärtsfahren und einer Dauer von 4 Sekunden durchgeführt.
Das Ganze kann mit unterschiedlichen Zeiten getestet werden.
5. Am Ende lassen Sie die Kinder einen „Brems-Test“ machen, indem sie ein Hindernis in einem Abstand von zum Beispiel 70 cm aufstellen, vor dem das Auto stehen bleiben soll. Die Kinder sollen ihre Autos dann so programmieren, dass die Zeitdauer genau ausreicht um kurz vor dem Hindernis zu halten. Die Weglänge, die ihr Auto zurücklegt, kann ja nach den ersten Versuchen leicht bestimmt werden.
6. Die Kinder sollen die Intensitätslevel 1 - 5 der Lampe und der Motoren testen.
Dazu können sie den Unterschied zwischen Stärke 1 und 5 herausfinden indem sie den RCX passend programmieren.
7. Der „Brems-Test“ kann jetzt zum Reaktionstest werden. Dabei sollen die Kinder den Schalter rechtzeitig drücken, um rechtzeitig vor einem Hindernis anzuhalten.
Hierfür muss noch ein Schalter mit Hilfe eines langen Kabels mit einem der Eingänge verbunden werden.
8. Falls Motoren auf beiden Seiten angebracht wurden, ist es möglich, das Auto zu lenken. Mit Pilot II kann man beide Motoren unterschiedlich schnell laufen lassen, somit fährt das Auto eine Kurve. Das Prinzip hierfür ist wie bei einem Rollstuhl. Jedoch müssen hierfür die beiden nicht angetriebenen Räder frei drehbar sein, wie bei einem Einkaufswagen
A1 Versuchsbeschreibungen zu Versuch I:
LEGO
®Mindstorms Konstruktion
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Versuch I
LEGO® Mindstorms - Schüler Konstruktion
In diesem Experiment könnt ihr bauen, konstruieren und kreativ sein. Es soll ein Fahrzeug werden: ein Auto, einen Laster oder ein Dreirad. Es kann dick werden und Ketten haben oder wie ein Tier aussehen und auf Rädern rollen. Ganz wie ihr wollt.
1. Die Aufgabe wird im Team gemacht. Überlegt euch erst einmal einen Namen für eure Gruppe. Danach könnt ihr euch einen Namen für das Fahrzeug einfallen lassen.
Teamname: -____________________________________________________
Fahrzeugname:
__________________________________________________
Euer Fahr-Roboter soll später bestimmte Aufgaben können. Der große gelbe Baustein sorgt dafür. Er heißt RCX. In ihm ist ein kleiner Computer eingebaut. Ganz am Schluss, wenn euer Auto fertig gebaut ist, wird dieser kleine Computer mit Hilfe des großen PCs an euren Plätzen programmiert.
Was jetzt am Anfang wichtig ist:
Ihr müsst einen Platz für den RCX an eurem Auto dafür vorsehen. Dabei müsst ihr darauf achten, dass die schwarze Stelle an der Vorderseite nicht durch andere LEGO-Teile zugebaut wird. Denn hier wird später das Programm auf euren kleinen Computer gespielt.
Das Ganze funktioniert wie eure Fernbedienung am Fernseher zuhause, mit Infrarot-Licht.
Ihr könnt den RCX entweder liegend einbauen, auf eine Platte zum Beispiel, oder ihr benutzt die Löcher an den Seiten um den Baustein mit Pins an Lochleisten fest
Ihr könnt den RCX entweder liegend einbauen, auf eine Platte zum Beispiel, oder ihr benutzt die Löcher an den Seiten um den Baustein mit Pins an Lochleisten fest