DOWNLOAD. Modellierung der Funktionsweise technischer Geräte

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Kerstin Strecker

Modellierung der Funktionsweise

technischer Geräte

Informatik konkret: Anwendungsbeispiele Lehrplanthemen auf medizinische Kontexte anwenden

Downloadauszug aus dem Originaltitel:

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Didaktische Überlegungen zu den Aufgabenstellungen

Die Kapitel und Aufgabenstellungen in diesem Heft haben einen starken Bezug zu medizinischen und medizintechnischen Themen. Die folgenden Überlegungen und Feststellungen sollen verdeutlichen, warum dies so ist.

Zweckorientierung durch kontextbezogene Aufgaben

Durch kontextbezogene Aufgaben kann Schülern die Sinnhaftigkeit der Informatik eindrucksvoll vermittelt werden. Die Denkweisen, Strategien und Werkzeuge der Informatik werden zur Lösung von Problemen genutzt, die in anderen (Lebens-)Bereichen auftreten. „Informatik für einen bestimmten Zweck“ und nicht

„Informatik an sich“ ist die Botschaft, die durch kontextbezogene Aufgaben vermittelt werden soll. Die Schüler lösen keine informatischen Probleme um ihrer selbst willen, sondern betreiben Informatik, um Probleme zu lösen, die in anderen Bereichen entstanden sind. Der Zweck steht hier also im Vordergrund.

Ein medizinischer oder sozialer Kontext kann helfen, auch andere Zielgruppen für das Fach zu motivieren.

Viele Schüler fühlen sich hier deshalb angesprochen und für eine Lösungssuche motiviert, weil der helfen- de Aspekt dominiert. Die Erfahrung zeigt, dass gerade auch Mädchen durch den medizinischen Kontext angesprochen werden. Dennoch erhebt das Heft natürlich nicht den Anspruch, in allen Einzelheiten medi- zinisch korrekt zu sein. Ebenso geben die Beispiele nicht reale Umsetzungen der Medizininformatik wieder.

Der medizinische Kontext hat eine soziale Komponente

In diesem Heft steht der Gedanke „Informatik hilft!“ daher auch im Vordergrund. Das Ziel, mit den Möglich- keiten der Informatik Menschen zu helfen, findet sich in den meisten Aufgabenstellungen dieses Heftes wieder.

Obwohl nicht explizit genannt, gibt es zu jeder Aufgabe Anknüpfungspunkte für eine Vertiefung in die jewei- lige Thematik. Die Beschäftigung mit dem Kontext muss sich also nicht auf die Aufgabenstellung beschrän- ken. Jedes Thema kann zu einem Projekt ausgeweitet werden und mittels Recherchen, Interviews oder Exkursionen lässt sich der Anwendungsbezug vertiefen. Dies ist ausdrücklich erwünscht und die vorgeschla- genen Bereiche können Schüler der Jahrgangsstufen 7 bis 10 der Erfahrung nach sehr motivieren.

Zur Produktorientierung und Divergenz der Lösungen

Neben der sozialen Komponente und dem Bezug zur Medizin gibt es einen weiteren wichtigen Aspekt, der die Aufgabenstellungen dieses Heftes kennzeichnet.

Informatik-Lerngruppen sind in der Regel sehr heterogen, u. a. bedingt durch außerschulische Erfahrun- gen in diesem Lernbereich. Ähnlich den Fächern Musik und Sport, bei denen die Schüler durch das Be- herrschen eines Instruments oder durch außerschulisches Training in einem Sportverein ganz unter- schiedliche und zum Teil erhebliche Erfahrungen mitbringen, verhält es sich auch in der Informatik. Dazu kommt, dass gerade im Bereich der Algorithmik analytisches Denken gefragt ist, das den Schülern unterschiedlich schwerfällt. Dies verlangt ein besonderes Maß an Differenzierung – auch bei den Aufgaben –, um allen Schülern gerecht zu werden.

Die Differenzierung soll nun aber nicht erreicht werden, indem der Lehrer die Aufgabenstellungen differen- ziert vergibt. Vielmehr wurde bei den meisten Aufgaben in diesem Heft Wert darauf gelegt, die Aufgaben- stellung so offen zu halten, dass verschiedene Lösungsansätze möglich sind.

Die Schüler selbst sollen die Lösung eines gegebenen Problems individuell so gestalten können, dass sich automatisch unterschiedlich komplexe Lösungen ergeben. Denn nicht die Lösung an sich steht im Vordergrund, sondern das entstandene funktionsfähige Produkt, welches theoretisch im medizinischen Bereich eingesetzt werden könnte. Deshalb ist eine komplexe Lösung auch nicht unbedingt besser oder

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höher zu bewerten.

Der Fokus liegt also weniger auf dem Lösungsweg und stärker auf dem entstandenen Produkt. Die Schü- ler sind stolz auf das Geschaffene und sie entwickeln einen Stolz unabhängig vom Urteil des Lehrers: Dies kann im Unterricht ein zusätzlicher Motivator sein.

Die Lösungsansätze werden an so wenigen Stellen wie möglich durch die Aufgabenstellung suggeriert, sodass im Idealfall alle Schülerlösungen Unikate sind. Dies muss natürlich vom Lehrer unterstützt und zugelassen werden. Ein Beispiel soll dies näher erläutern:

Wählt man sehr präzise definierte Aufgaben, z. B. aus dem Bereich der Mathematik, und gibt Variablenna- men, Übergabeparameter etc. vor, dann werden sich die Schülerlösungen kaum voneinander unterschei- den. Stellt ein Schüler dann seine Lösung vor, können die anderen ihre Ergebnisse damit vergleichen. In Unterrichtsphasen, die der Erarbeitung neuer Sachverhalte dienen, ist dieses Vorgehen sicher zielführend.

In diesem Heft sind aber bewusst solche Übungsaufgaben gewählt worden, deren Lösungen keine gleich- förmigen Produkte ergeben sollen, sondern Produkte, bei denen Schüler ihre eigenen Ideen zur Problem- lösung umsetzen können. Die Ergebnisse werden im Anspruch divergent sein, manche weniger komplex, dafür umso einfallsreicher. Aber so bieten sie die Chance, auch für andere Schüler gewinnbringend zu sein.

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L

Wie funktioniert …? Modellierung der Funktionsweise technischer Geräte

Lehrerhinweise und Lösungen

Jahrgangsstufe und Vorerfahrung: Jahrgangsstufe 7 bis 10 ohne Vorerfahrung. Der Anspruch ist mittel.

Kontext: In der Medizintechnik und im Bereich Gesundheit kommen verschiedene technische Geräte zum Einsatz, die mithilfe von Mealy-Automaten modelliert werden können.

Einsatz im Unterricht: Einfache technische Geräte benötigen keine Programmierung im Sinne hoch entwickelter Program- miersprachen. Oft reicht ein fest verdrahtetes Schaltwerk, um die Funktionalität herzustellen. Hier sollen die beschriebenen technischen Geräte mit didaktisch vereinfachten Mealy-Auto- maten modelliert werden, wobei die Modellierung und nicht die fachliche Korrektheit der Mealy-Automaten im Vordergrund steht.

Zur Bearbeitung der verschiedenen Aufgaben eignen sich Kleingruppen, die Poster zu den einzelnen Automaten erstellen und anschließend präsentieren. Der Schwierigkeitsgrad der Aufgabe zum Blutdruckmessgerät ist am höchsten, gefolgt von Zahnbürste, Sicherheitslicht und Zahnarztstuhl. Vielleicht kön- nen einige Geräte (Blutdruckmessgerät, Zahnbürste …) auch mitgebracht und ihre Funktionsweise zunächst einmal getestet werden. Für die Schüler ist es oft schwierig, zu entscheiden, wann beim Mealy-Automaten neue Zustände eingefügt werden müssen. Im Anschluss an die Modellierung können diese Fra- gen gut anhand der Aufgaben geklärt werden. Zusätzlich könn- te die Funktionalität der Mealy-Automaten auch implementiert werden. Mit einer Variablen, die durch ihren Wert den Zustand repräsentiert, und „falls“-Abfragen, die die „Pfeile“ umsetzen, ist dies möglich.

Lösungsvorschläge

Ein didaktisch reduzierter Mealy-Automat besitzt einen oder mehrere Zustände, die benannt werden. Der Startzustand wird mit einem Pfeil gekennzeichnet. Zustandsübergänge von einem Zustand zum nächsten werden ebenfalls durch einen Pfeil symbolisiert. Auf dem Pfeil steht zunächst die Eingabe, die einen Zustandswechsel provoziert, gefolgt von einem „/“

und einer Ausgabe, die aufgrund der Eingabe geschaltet wird.

Ein Zustandsübergang kann dabei auch von einem Zustand auf sich selbst erfolgen. Dieses Modell sollte zuvor mit den Schülern besprochen werden. Möglicherweise ist es hilfreich, zunächst jeweils Eingaben und Ausgaben zu identifizieren und gemeinsam festzulegen. Grafische Lösungsvorschläge zu den einzelnen Arbeitsblättern befinden sich im Downloadmaterial.

Startzustand:

Start Start

Zustandsübergänge:

Zustand

1 Zustand

Eingabe / Ausgabe 2

Zustand 1

Eingabe / Ausgabe

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A

Wie funktioniert …

… ein Blutdruckmessgerät?

Der normale Blutdruck eines Menschen beträgt ungefähr 120/80 mmHg (Millimeter Queck- silbersäule). Ab einem Wert von 140/90 mmHg spricht man von Bluthochdruck (arterielle Hypertonie).

Messgeräte gibt es in mechanischer und elektronischer Ausführung, Die elektronischen

Geräte messen den Druck weitgehend automatisch: Man legt die Manschette um den Oberarm und drückt den Startknopf. Dann wird die Manschette bis zu einem Druck von 200 mmHg aufgepumpt. Jetzt kann kein Blut mehr durch die Arterien fließen. Mithilfe eines Ventils wird anschließend die Luft aus der Manschette abgelassen und der Druck so schrittweise reduziert.

In dem Moment, in dem zum ersten Mal bestimmte Blutflussgeräusche registriert werden, wird dieser obere arterielle Druck, der aktuelle Wert des Drucksensors, angezeigt. Das ist der erste Wert der Messung (systolischer Wert).

Die Luft wird weiter abgelassen, bis der Geräuschsensor keine solchen Blutflussgeräusche mehr wahrnimmt. Dieser aktuell gemessene Druck, der minimale arterielle Druck, wird dann als zweiter Wert ausgegeben (diastolischer Wert). Die Messung ist damit beendet.

Foto: © Sport Moments – fotolia.com

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Beschreibt die Funktionsweise eines Blutdruckmessgeräts mithilfe eines Mealy-Automaten.

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A

… eine elektrische Zahnbürste?

Die elektrische Zahnbürste in der Abbildung soll über zwei Funktionen verfügen. Sie ist mit einer Andruckkontrolle und einem Putzzeitsignal ausgestattet.

Wird die Bürste zu fest angedrückt, zeigt ein verändertes Laufgeräusch an, dass der Druck vermindert werden muss.

Weiterhin soll ein eingebauter Timer das systematische Putzen aller vier Gebissquadranten ermöglichen. Dazu wird nach jeweils 30 Sekunden die Bürstenbewegung kurz unterbrochen – ein Signal, dass der Quadrant jetzt gewechselt werden soll. Nach der empfohlenen Putzzeit von zwei Minuten erfolgt ein längeres Putzzeitsignal.

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Beschreibt die Funktionsweise der dargestellten elektrischen Zahnbürste mithilfe eines Mealy-Automaten.

Foto: Jonas Bergsten, Wikimedia

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… die Steuerung eines Zahnarztstuhls?

Ein vereinfachter Zahnarztstuhl soll über drei (mit dem Fuß zu bedienende) Schalter gesteuert werden.

Ein Tastschalter mit der Beschriftung „mode“ befindet sich zunächst im „hoch/runter“-Modus.

Wird er betätigt, wechselt er in den „sitz/kipp“-Modus. Bei erneuter Betätigung wird wieder in den „hoch/runter“-Modus gewechselt usw.

Weiterhin gibt es zwei Tastschalter mit den Beschriftungen „↑“ und „↓“.

Im „hoch/runter“-Modus bewirken die beiden Taster, dass sich der Stuhl nach oben „↑“ bzw.

nach unten „↓“ bewegt.

Im „sitz/kipp“-Modus bewirken die beiden Taster, dass der Stuhl in eine steilere Sitzposition „↑“

bzw. in eine flachere Liegeposition „↓“ gekippt wird.

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Beschreibt die Funktionsweise des dargestellten Zahnarztstuhls mithilfe eines Mealy- Automaten.

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… ein Sicherheitslicht?

Jogger, Inlineskater, Spaziergänger und andere erhöhen ihre Sichtbarkeit mit einem Sicherheits- licht. Man kann es bequem an der Kleidung oder wie hier am Halsband befestigen, weil es sehr leicht ist.

Das Sicherheitslicht verfügt über nur einen Tastschalter. Mit ihm schaltet man das Licht ein und aus. Dazwischen befinden sich sechs Funktionen, die mit dem Taster angewählt werden können. Es gibt die Möglichkeit eines Dauerlichts, eines Blinklichts mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten und drei Lauflichtvariationen.

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Beschreibt die Funktionsweise des dargestellten Sicherheitslichts mithilfe eines Mealy- Automaten.

Foto: Rüdiger Horn

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Redaktion: Daniel Marquardt Lektorat: Rüdiger Horn, Olpe

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Informatik konkret: 28 Anwendungsbeispiele

Dr. Kerstin Strecker, Jahrgang 1973, verheiratet, zwei Kinder im Teenageralter, unterrichtet Informatik und Mathematik am Hainberg-Gymnasium in Göttingen. Zudem ist sie Fachberaterin für Informatik bei der Landesschulbehörde Braunschweig und seit mehreren Jahren in der Ausbildung von Lehrkräften sowie deren Fort- und Weiterbildung im Fach Informatik tätig. Es ist ihr ein besonderes Anliegen, durch einen kontext- und produktbezogenen Unterricht die Informatik für einen erweiterten Schülerkreis zu öffnen.

Bildnachweis: S. 4: © Sport Moments – fotolia.com, S. 5: Jonas Bergsten, Wikimedia ,S. 6: © apfelweile – fotolia.com, S. 7: Rüdiger Horn, Einbeck Scratch-Screenshots: lizenziert unter Creative-Commons-Lizenz CC BY-SA 3.0, Scratch wird von der Lifelong Kindergarten Group am MIT-Media-Lab entwickelt;

siehe http://scratch.mit.edu.