TEK-PointTechnik-Experimente für Kinder

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TEK-Point

Technik-Experimente für Kinder

Leitfaden für das Einrichten eines TEK-Points, eines Technik-Experimentierlabors für Grundschüler

Forschung, Nr. 2

Entstanden für das SCOUT-Programm der Landesstiftung Baden-Württemberg (August 2007) Dipl.-Ing. (FH) Sabine Wilky, Prof. Dr.-Ing. Jörg Wild

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Impressum

Tek-Point

Technik-Experimente für Kinder

Leitfaden für das Einrichten eines TEK-Points, eines Technik-Experimentierlabors für Grundschüler

Entstanden für das SCOUT-Programm

der LANDESSTIFTUNG Baden-Württemberg (August 2007)

Autoren:

Dipl.-Ing. (FH) Sabine Wilky, Prof. Dr.-Ing. Jörg Wild

Herausgeberin:

LANDESSTIFTUNG Baden-Württemberg gGmbH Im Kaisemer 1, 70191 Stuttgart

Studiengang Mechatronik und Mikrosystemtechnik der Hochschule Heilbronn Neuberg-Grundschule Neckarsulm

Verein Faszination Technik e.V.

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SCOUT – Science outlined

Ein Programm der LANDESSTIFTUNG Baden-Württemberg 3

Inhalt

1 Einführung ...5

1.1 Idee ...5

1.2 Motivation ...6

2 Spezifikationen ...7

3 Einrichtung und Ausstattung ...8

3.1 Einrichtung des Raumes...8

3.1.1 Raum...8

3.1.2 Tische und Stühle...9

3.1.3 Schrank und Aufbewahrung ...10

3.1.4 PCs, Netzwerk und Beamer ...10

3.2 Experimentier-Hardware...12

3.2.1 LEGO^® Mindstorms ...12

3.2.2 UMT – universelles Mediensystem im Technik-Unterricht...15

3.2.3 Sonstige Werkzeuge und Arbeitsmaterialien...16

3.2.4 Dokumentationen ...18

3.2.5 Erste Hilfe...18

3.3 Anschaffungen mit Kostenaufstellung ...19

4 Erfahrungen aus der Projektphase ...23

5 Versuche...27

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Anhang

Projektpartner ... 30

Bezugsquellen ... 31

Internetquellen ... 33

A1 Versuchsbeschreibungen zu Versuch I: LEGO^® Mindstorms Konstruktion ... 34

Betreuerversion ... 34

Schülerversion... 46

A2 Versuchsbeschreibungen zu Versuch II:LEGO^®Mindstorms Programmierung 55 Betreuerversion ... 55

A3 Versuchsbeschreibungen zu Versuch III: Papierbrücke ... 85

Betreuerversion ... 85

A4 Einfache Experimente für Grundschüler zum Thema „Fahrrad“ ... 101

Elektrizität... 102

Einfacher Stromkreis... 102

Leitfähigkeitsprüfer... 103

Schalter... 104

Stromkreise am Fahrrad ... 105

Kraftübertragung ... 106

Kettenantrieb ... 106

Zahnradantrieb ... 107

Hebel ... 108

Gase und Flüssigkeiten ... 109

Luftbereifung... 109

Hydraulikbremse ... 110

Kugellager ... 111

Kreiselkräfte ... 112

Reflexion ... 113

Literatur ... 114

A5 Einführung in LEGO^® Mindstorms ... 115

A6 Einführung in LEGO^® CAD LDraw™ ... 125

Verbrauchsmaterial... 130

Verbrauchsmaterial zu Versuch I: LEGO^® Mindstorms Konstruktion ... 130

Verbrauchsmaterial zu Versuch II: LEGO^® Mindstorms Programmierung... 130

Verbrauchsmaterial zu Versuch III: Papierbrücke ... 130

Verbrauchsmaterial zum Bau eines Windrades mit UMT ... 131

Verbrauchsmaterial für den Workshop ... 133

„Einfache Experimente für Grundschüler zum Thema Fahrrad“ ... 133

Zeichnung Tisch... 134

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1 Einführung

Das von der Landesstiftung Baden-Württemberg initiierte SCOUT-Programm (Science Out-lined) fördert Projekte, die der Wissensvermittlung von Naturwissen- schaft und Technik für Kinder und Jugendliche im Land Baden-Württemberg dienen.

Diese Projekte sind gemeinnützig und legen Wert auf Nachhaltigkeit.

Im Rahmen des Projekts „Technik-Experimentierlabor für Grundschüler“ wurde ein Technik-Labor für zwölf Kinder eingerichtet. Die Projektpartner sind der Studien- gang Mechatronik und Mikrosystemtechnik (MM) der Hochschule Heilbronn (HHN) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jörg Wild und die Neuberg-Grundschule in Neckarsulm unter der Leitung von Rektor Hans-Peter Brugger. Unterstützend wirkt als dritter Kooperationspartner der Verein Faszination Technik e.V. aus Heilbronn.

Um die Nachhaltigkeit der Projektarbeit sicherzustellen, war die Zielsetzung, dass weiteren interessierten Grundschulen die Ergebnisse nutzbar gemacht werden. In diesem Leitfaden sind die nötigen Details für den Aufbau eines TEK-Points an anderen Schulen enthalten. Neben Erläuterungen über die Ausstattung werden auch detaillierte Kostenaufstellungen und Bezugsquellen angegeben.

Die dafür bisher entwickelten Versuche finden sich je in einer Beschreibung für Betreuer und Schüler im Anhang und sind auch auf dem aktuellen Stand unter www.tek-point.de herunterzuladen.

Durch diesen Leitfaden und die Multiplikation durch weitere Schulen, hoffen wir die Faszination an der Technik frühzeitig an Kinder zu vermitteln.

1.1 Idee

Das Projekt „Technik-Experimentierlabor für Grundschüler“ war mit einer Projektdauer von zwei Jahren angesetzt. Projektstart war der 1. November 2005.

Im TEK-Point (Technik-Experimentierlabor) sollen Dritt- und Viertklässler erste eigene Erfahrungen mit Technik machen können. Die Schüler sollen durch eigene Erfahrungen für die Technik begeistert werden. Das Experimentieren dort wird als freiwillige, außerschulische Aktivität organisiert.

Die Idee zu diesem Projekt entstand durch die Zusammenarbeit zwischen dem Studiengang Mechatronik und Mikrosystemtechnik der HS Heilbronn und der Neubergschule für die Kinder-Akademie Neckarsulm, sowie während mehrerer Projekte des Studiengangs Mechatronik und Mikrosystemtechnik (MM), wie z. B dem Girl’s Day, Mechatronik für Mädchen oder dem ThinkIng.-Tag. Diese Veran- staltungen stießen auf große Resonanz bei Kindern, Eltern und Lehrern und führten beim Studiengang MM zu überdurchschnittlich hohen Bewerberzahlen. Hierbei wurde aber nur die Zahl der technikinteressierten Schüler auf die verschiedenen Studiengänge umverteilt. Um insgesamt eine größere Anzahl an technisch und naturwissenschaftlich interessierten Schülern zu gewinnen, muss die erste Begeg- nung mit diesen Themen schon zu einem früheren Zeitpunkt stattfinden.

Daher richtet sich das Angebot des TEK-Points an Schüler der dritten und vierten Klassen. Im Labor sollen kleine Gruppen von acht bis zwölf Schülern Versuche im Bereich Technik, insbesondere in der Mechatronik, durchführen können. Diese bein- halten Mechanik, Elektrotechnik, Informatik und vieles mehr. Grundsätzlich sollen

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die Versuche technische Prinzipien erklären und deren Anwendungen im Alltag aufzeigen.

Einige der Experimente werden aus dem Fundus des Studiengangs Mechatronik aus ähnlichen Projekten übernommen und für die Altersstufe aufbereitet. Nach und nach werden weitere Versuche in das Angebot des TEK-Points eingebracht.

1.2 Motivation

Grundschüler sollen für Technik begeistert werden!

Kinder gehen mit der alltäglichen Technik ohne Probleme um. Sie bedienen Computer, Handy und Internet ohne große Probleme. Jedoch sind heutzutage elektronische Geräte meist so komplex, dass zum Beispiel das Reparieren solcher Geräte, wie es früher möglich war, heute kaum mehr möglich ist. Der Lerneffekt durch ein Auseinandernehmen und wieder Zusammenbauen bleibt aus, und es kommt zu einer Scheu vor komplexeren Systemen.

Hinzu kommt, dass das Fach Technik an Schulen, wenn überhaupt, erst in den höheren Klassenstufen im Stundenplan auftaucht. Naturwissenschaftliche Inhalte aus anderen Fächern sind - zumindest bis jetzt noch - wenig technikbezogen. Der direkte Bezug zu technischen Sachverhalten im Alltag fehlt oftmals. Dadurch entstehen in den weiterführenden Schulen zwei Gruppen von Schülern. Eine kleinere Gruppe ist naturwissenschaftlich orientiert. Und eine größere Gruppe kann sich trotz der späteren Werbemaßnahmen von Industrie und Hochschulen kaum vorstellen, ein technisches Fach zu studieren.

Die Motivation für das Technik-Experimentierlabor liegt also darin, Kinder schon in der Grundschule, im begeisterungsfähigen Alter, an die Technik heranzuführen. Mit dem eigenen Erleben und Erlernen von technischen Sachverhalten wird das Interesse für Technik bei den Schülern geweckt und gestärkt. So lassen sie sich vielleicht auch später bei der Fächerwahl eher für Technik begeistern und entscheiden sich, dank der positiven Erlebnisse im Experimentierlabor, auch für entsprechende Ausbildungen und Studienfächer im Bereich Technik.

Gerade Kinder im Alter von acht bis zehn Jahren sind sehr interessiert und haben einen großen Forscherdrang. Macht man sich diese Eigenschaften zu Nutze und lehrt Technik ohne größere Mengen von trockener Theorie, sehen sie die Technik in der heutigen Welt vielleicht mit anderen Augen und fragen öfter: Wie funktioniert das eigentlich?

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2 Spezifikationen

Ein TEK-Point kann in einem normalen Klassenraum eingerichtet werden. Folgende Randbedingungen werden empfohlen:

- Arbeitsraum für 12 Schüler - Raum größer als 60 m² - vier Arbeitsgruppen mit je:

o einem großem Tisch mit durchgängiger Tischplatte und angepasster Höhe für Grundschüler

o vier Stühle angepasst an den Tisch und die Bedürfnisse von Grundschülern

o einem Rechner mit Bildschirm, Tastatur und Maus - Tafel

- Werkbank in angepasster Höhe für Grundschüler - Schrank / Aufbewahrungsmöglichkeit

- Ausstattung für Technik-Experimente und Experimentierhardware:

o LEGO^®-Mindstorms o UMT-Vorrichtungen

Abbildung 2: Grundriss des TEK-Points an der Hochschule Heilbronn

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3 Einrichtung und Ausstattung

In diesem Kapitel wird näher auf die Einrichtung eines TEK-Points eingegangen.

Vorlage dafür war der erste TEK-Point an der Hochschule Heilbronn.

Adressen und Bezugsquellen für die einzelnen Posten befinden sich in den An- hängen. Die Kostenaufstellung ist in Kapitel 3.3 beschrieben.

3.1 Einrichtung des Raumes

3.1.1 Raum

Ein passender Raum für einen TEK-Point ist jedes Klassenzimmer, das über 60 oder mehr Quadratmeter verfügt. Es sind keine bestimmten Forderungen an den Raum gerichtet. Er muss nicht für chemische Experimente oder physikalische Aufbauten gemacht sein.

Ein Wasseranschluss ist kein Muss, aber eventuell nützlich. Die Experimente sind nicht für den Gebrauch von Wasser ausgelegt, da im Laborraum auch elektrische Geräte wie PCs, Bildschirme usw. stehen. Der Boden sollte nicht mit Teppichboden sondern z. B mit PVC oder Linoleum ausgelegt sein, um das Reinigen und die Fortbewegung der Roboter-Fahrzeuge zu erleichtern.

Eine Tafel ist empfehlenswert. Die Schüler kennen dieses Medium schon und müssen nicht erst umdenken, bevor sie die Inhalte aufnehmen können.

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3.1.2 Tische und Stühle

Es befinden sich vier Tische im TEK-Point. Diese vier Arbeitsgruppen sollten eine 130 cm x 150 cm große und durchgängige Fläche haben, um den Kindern viel Freiraum zu geben. Beim Bau von LEGO^®-Modellen hat sich zum Beispiel gezeigt, dass Spalten zwischen zwei oder drei zusammen gestellten normalen Schulbänken gerade dazu einladen, Bauteile zu verlieren, in dem sie auf den Boden fallen, zertreten werden oder einfach auf Grund ihrer geringen Größe nicht mehr gefunden werden.

Außerdem ist ein massiver Tisch nicht so leicht verschiebbar. Die Kinder sitzen im TEK-Point nicht immer still auf ihren Plätzen. Vielmehr sollen sie aktiv am Geschehen teilhaben und so auch innerhalb des Teams Diskussionen entwickeln.

Dabei wird auch um den Tisch gelaufen um ein Modell von der anderen Seite zu betrachten oder um die programmierten Roboter-Fahrzeuge auf dem Boden auszuprobieren.

Die vier Arbeitsgruppen sollen zuallererst die Teamarbeit fördern. Jedem Team ist eine Farbe – gelb, rot, grün und blau – als Erkennungszeichen zugeordnet. Die benötigten Werkzeuge, Gerätschaften, Baukästen usw. werden in eben diesen vier Farben markiert. So ist eine direkte Zuordnung möglich.

Abbildung 4: Rote Arbeitsgruppe mit PC, Bildschirm, Stühlen und Trolley für die Werkzeuge

Die Tische haben zudem einen Kabelkanal und Kabeldurchführungen für den Rechner. Damit sind alle Kabel geschützt und Stolperfallen vermieden. Das PC- Gehäuse ist in einer Halterung am Tisch befestigt und kann so nicht umfallen. Die Bildschirme können auf den Tischen fest montiert werden um Beschädigungen zu vermeiden.

Die Tische und Stühle sollten die passende Höhe für Dritt- und Viertklässler haben (70 cm). Auch hier wird das Farbensystem angewendet: vier blaue, vier gelbe, vier rote und vier grüne Stühle. Der vierte ist für den Betreuer, damit er sich zu den einzelnen Gruppen setzen kann und auf einer Höhe mit den Kindern spricht.

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Jeder Tisch ist von der Decke her mit Strom versorgt. Eine Mehrfachsteckdose ermöglicht die flexible Nutzung.

3.1.3 Schrank und Aufbewahrung

Ein Schrank wird für die Aufbewahrung der verschiedenen Utensilien benötigt. Hier gibt es ein Modell (LE G 12), das im unteren Bereich 4 Rollcontainer hat. Jeder Rollcontainer hat die Farbe einer Arbeitsgruppe: rot, gelb, grün, blau. Darin kann das Werkzeug jeder Gruppe untergebracht und bei Bedarf an die Tische herangerollt werden.

Der Schrank hat zudem mehrere Einlegeböden. So lassen sich die Gegenstände für die verschiedenen Versuche nach Themen ordnen. Er ist 150 cm breit, 50 cm tief und 190 cm hoch.

Abbildung 5: Schrank im TEK-Point mit Experimentier-Hardware

Abbildung 6: Original-Schrank LE G 12 vom Lieferant (ohne Deko)

3.1.4 PCs, Netzwerk und Beamer

An jedem Arbeitsplatz gibt es einen Computer. Auf diesem befindet sich benötigte Software: Robolab (Schullizenz) für LEGO^® Mindstorms, eine Grundausstattung der gängigen Office Programme, wie Word, Excel und PowerPoint, sowie eventuell Lernprogramme für andere Fächer, z. B Englischvokabeltrainer usw.

Einer der Rechner wird zudem vom Betreuer mitgenutzt, um Präsentationen

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Über ein 100 MBit Ethernet sind die Rechner über einen Switch untereinander verbunden. Ein am Netzwerk angeschlossener Drucker macht es möglich, etwaige Protokolle oder Urkunden auszudrucken. Da die Kinder nur ungern ihre Bauwerke aus LEGO^® Mindstorms wieder auseinander bauen, kann man auch Bilder von den jungen Technikern mit ihren Konstruktionen aufnehmen und sie als Andenken ausdrucken.

Abbildung 7: Vernetzung der Rechner untereinander über den Switch sowie Anschlüsse an Beamer und Drucker

Beamer, Drucker und Netzwerk zwischen den Rechnern sind kein Muss, jedoch nützlich. Die vier PCs könnten aus Kostengründen bei Bedarf auch einzeln betrieben werden.

Über einen Router statt einem Switch könnte auch eine Anbindung an ein Schulnetzwerk oder eine Internetverbindung erfolgen, falls der Raum für solche Aktivitäten genutzt werden soll.

PC PC

Switch

Drucker

Beamer

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3.2 Experimentier-Hardware

Im Technik-Experimentierlabor stehen den Gruppen die benötigten Werkzeuge und entsprechende Hardware zur Verfügung. Verbrauchsmaterial für die Versuche wird ebenfalls gestellt.

Ein Standbein des Labors ist das Mindstorms-System von LEGO^®. Das System ist vielseitig einsetzbar und den meisten Kindern schon aus dem Kinderzimmer bekannt. Es verbindet auf spielerischem Niveau die drei Schwerpunkte der Mechatronik: Mechanik, Elektronik und Informatik.

Als zweites Lehrmaterial wird das UMT-System verwendet (universelles Mediensystem für den Technik-Unterricht). Hier können Halbzeuge aus Kunststoff mit speziellen Vorrichtungen zu Bauteilen verarbeitet und anschließend zu einem Modell, z. B ein Auto oder ein Windrad, zusammengebaut werden.

Neben diesen fertigen Systemen gibt es auch Technik-Versuche, die keine Hardware benötigen, der Papierbrückenbau zum Beispiel.

3.2.1 LEGO^® Mindstorms

Das LEGO^® Mindstorms System deckt alles ab, was Mechatronik ausmacht. Mit den üblichen Bausteinen aus dem LEGO^®-Technik Sortiment und Sonderteilen wie Stangen und Zahnrädern lässt sich Mechanik leicht zeigen. Bauteile wie Elektromotoren, Lampen und Sensoren stellen den Part der Elektrotechnik. Die Informatik ist mit dem Programm Robolab und dem programmierbaren RCX- Baustein vertreten, mit dem man das System programmieren kann. Mehr Informationen darüber sind im Anhang zu finden.

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Grundausstattung

Zur LEGO^®-Ausstattung des TEK-Points gehören fünf „Team Challenge Sets USB“

(Nr. 9794) des Systems Mindstorms, einer für jede Gruppe, sowie ein Ersatz- Kasten.

Jeder Arbeitsplatz verfügt am Rechner über die Software „Robolab Version 2.5.4“

(eine Schullizenz für mehrere Rechner) sowie eine zugehörige Infrarot-Schnittstelle, mit deren Hilfe der RCX-Baustein programmiert werden kann, der im Team Challenge Set enthalten ist.

Erweiterungsmöglichkeiten

Zusätzlich, aber für den Alltagsgebrauch im TEK-Point nicht nötig, gibt es das Ergänzungsset „Robolab Starterset“ (Nr. 9780), aufgeteilt auf die Kästen I und II, das „Mechanik-Set I“ (Simple Mechanism Set, Nr. 9630) in einem roten Kasten und das „Technik-Set I“ (Technology Resource Set, Nr. 9649). In diesen vier Kästen befinden sich weitere Teile sowie Sonderteile und komplett eigenständige Projekte mit Kurzanleitungen.

Abbildung 9: LEGO^® -Kasten Technik I

Eine zusätzliche Idee für die Einrichtung des Raumes und die Nutzung des Mindstorms-Systems wäre eine einfarbige Fläche im Boden mit schwarzen Bahnen.

Diese Fahrbahnen könnten von Autos mit Lichtsensoren abgefahren werden, zum Beispiel für die Aufgabe, welche Gruppe mit ihrem Auto den Parcours am schnell- sten durchfährt. Es gibt fertige Tische (JuniorMove-FLL von LPE), die solche Test- flächen haben, oder man verwendet einfach ein großes Plakat, auf dessen Rück- seite man eine schwarze Linie ist.

Abbildung 10: LEGO^®-Aufbewahrungs- und Funktionsmöbel JuniorMove-FLL

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Mobiler Trolley

Der mobile Trolley ist für interessierte Betreuer gedacht, die sich vor dem Experimentieren mit einer Gruppe zuerst in das System einarbeiten möchten. Im Koffer befindet sich ein kompletter LEGO^® Mindstorms-Kasten (Team Challenge Set USB), wie er auch im Labor später für die Gruppen bereit steht. Ein Laptop mit der Software Robolab 2.5.4 zur Programmierung des RCX ist auch vorhanden, sowie die Infrarot-Schnittstelle für die Übertragung der Programme.

Anleitungen für die Software und verschiedene Versuche geben Tipps und Hilfestellungen für den ersten Einsatz von LEGO^® Mindstorms.

All das befindet sich zur besseren Lagerung und unkompliziertem Transport in einem kleinen Reisetrolley. Der Trolley kann gegen Unterschrift ausgeliehen werden.

Abbildung 11: mobiler LEGO^®-Trolley mit Mindstormskasten, Laptop und Versuchsmaterialien

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3.2.2 UMT – universelles Mediensystem im Technik-Unterricht

Das UMT-System ist eine flexibel einsetzbare Möglichkeit, alltägliche Fertigungsschritte einfach zu erklären und von den Schülern umsetzen zu lassen.

Bohren, Sägen, Gewindeschneiden und Fräsen - all das ist mit den Vorrichtungen anschaulich erklärt und einfach durchzuführen.

Das UMT-System besteht zum einen aus flexibel einsetzbarem Halbzeug aus Kunststoff oder Holz. Hier gibt es Rundmaterial, Lochstreifen/-platten, Kunststoffplatten usw. Die einzelnen Bauteile der Modelle lassen sich durch Bearbeitung des Halbzeugs an den Vorrichtungen ohne großen Aufwand herstellen.

Abbildung 13: UMT-Halbzeug aus Kunststoff Abbildung 14: UMT-Vorrichtung zum Kanten abrunden

Des Weiteren werden speziellen Vorrichtungen eingesetzt. Jeder Arbeitsschritt - Bohren, Sägen, Abrunden, usw. – hat eine einfach zu bedienende Vorrichtung, meist mit Handkurbel. Man benötigt keine großen Kräfte und das Verletzungsrisiko ist sehr gering.

Es gibt ausführliche Bauanleitungen für Modelle wie Windrad, Auto, Rennwagen, Kurbelleuchte etc. Mit ein wenig Fantasie lassen sich jedoch unendlich viele Dinge herstellen.

Abbildung 15: UMT- Bauanleitungen für Windrad und Fahrzeug Orlando

Die Teile sind sehr stabil und haben den großen Vorteil, dass sie von den Schülern mit nach Hause genommen werden können.

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Für die Vorrichtungen gibt es im TEK-Point eine Werkbank mit einer an der Vorderkante eingelassenen Schiene. Darin können die Vorrichtungen befestigt werden. Einige wenige Werkzeuge sind für das Bauen mit UMT nötig. Gabel- schlüssel und Schraubenzieher gehören dazu. Die einzelnen gefertigten Bauteile werden mit Schrauben und Muttern zusammengehalten.

Als Alternative für diese Ausstattung mit fest stehender Werkbank gibt es vom Hersteller auch einen Trolley, in dem alles enthalten ist. Die Vorrichtungen können hier an ausklappbaren Tischflächen angebracht werden. Somit ist alles aufgeräumt (Material und Werkzeuge) und trotzdem mobil.

Abbildung 16: UMT- Rollwagen mit Raum für Vorrichtungen und Material

3.2.3 Sonstige Werkzeuge und Arbeitsmaterialien

Die hier beschriebene Ausstattung ist eine erste Grundausstattung und kann je nach Bedarf weiter ausgebaut werden. Weitere Werkzeuge können passend zu kommenden Versuchen beschafft werden.

Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass die Werkzeuge keine potenziellen Gefahrenquellen darstellen. Scharfe und spitze Gegenstände sollten möglichst vermieden werden, bzw. nur vom Betreuer erreich- und einsetzbar sein.

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3.3 Anschaffungen mit Kostenaufstellung

Die aufgeführten Preise orientieren sich an der konkreten Beschaffung im Zeitraum 2006/2007 an der HS Heilbronn.

Dazu kann die Schule ihren TEK-Point beliebig ausbauen, z. B in einem ersten Schritt LEGO® Mindstorms anschaffen und später erst UMT.

Die Preise sind inkl. Mehrwertsteuer.

Raumausstattung:

Unter Raumausstattung werden die Möbel verstanden, die im TEK-Point stehen.

Möglicherweise sind Stühle und Schränke an der Schule schon vorhanden und können genutzt werden. Wie in Kapitel 3.1.2 beschrieben sind jedoch die großen Tische auch sehr empfehlenswert. Die Zeichnung dafür befindet sich im Anhang.

Schrank LE G 12 mit vier Rollcontainern von Lehrmittel-Service Späht

1 921,04 € 921,04 €

Arbeitstisch

Sonderanfertigung von Lebenshilfe Bruchsal

4 454,72 € 1 818,88 €

Stuhl

4 pro Farbe rot, grün, blau und gelb (Beispiel: von Betzold: Modell ST 40 SG

16 40,60 € 649,60 €

Summe 3 389,52 €

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LEGO^® Mindstorms Ausstattung:

Die LEGO Mindstorms Ausstattung bekommt man beim Versand Technik-LPE. Hier gibt es verschiedene Modelle. Der TEK-Point hat folgende Artikel zur

Grundausstattung.

LEGO^® Mindstorms Team Challenge

Nr. 9794 von LPE

4 290,00 € 1 160,00 €

Software Robolab Schullizenz

von LPE

1 261,00 € 261,00 €

PC

mit TFT-Bildschirm 19“, Tastatur, Maus und Windows XP

von NHS solutions

4 1 022,70 € 4 091,08 €

Summe 5 512,08 €

Optionale Erweiterungen:

LEGO^® Mindstorms Team Challenge Ersatzkasten, Nr. 9794

von LPE

1 290,00 €

LEGO^® Robolab Starterset

Erweiterungskasten I und II, Nr. 9780 von LPE

1 230,84 €

Beamer Epson EMP-X3 mit Halterung

von NHS solutions

1 1 111,28 €

Laserdrucker HP LJ2600n

Farblaserdrucker mit Netzwerkanschluss von NHS solutions

1 346,84 €

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UMT-Ausstattung:

Für die UMT-Ausstattung gibt es zwei Varianten.

a) Man kann eine Werkbank und die Vorrichtungen einzeln kaufen. Die Werkbank lässt sich auch für andere Arbeiten benutzen, benötigt jedoch mehr Platz.

b) Es gibt einen mobilen Trolley von LPE, der sowohl Platz für die Vorrichtungen sowie für das Verbrauchsmaterial bietet. Dieser Trolley ist mobil und benötigt weniger Platz.

Alternative a) Werkbank zweiteilig von LPE

2 859,96 € 1 719,93 €

UMT-Vorrichtungssatz 11 Stück

von LPE

1 1 969,68 € 1 969,68 €

Werkzeuge

Schraubenzieher, Gabelschlüssel etc.

von LPE

~100,00 € ~100,00 €

Summe 3 789,61 €

Alternative b)

Mobile UMT-Werkstatt mit Vorrichtungen von LPE

1 3203,92 € 3203,92 €

Werkzeuge, Schraubenzieher, Gabelschlüssel etc.

~100,00 € ~100,00 €

Summe 3 303,92 €

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Gesamte Grundausstattung:

Alternative a) Alternative b)

Raumausstattung 3 389,52 € 3 389,52 €

LEGO^® Mindstorms Ausstattung 5 512,08 € 5 512,08 €

UMT-Ausstattung 3 789,61 € 3 303,92 €

Summe 12 691,21 € 12 205,52 €

Für eine erste Grundausstattung sind zwischen 12.000 und 13.000 Euro erforderlich. Je nach finanzieller Lage oder Interessen von Seiten der Schule kann der TEK-Point auch weniger oder mehr enthalten.

Die hier angegebene Zusammenstellung ist flexibel und vielseitig einsetzbar. Man kann jedes Thema beliebig erweitern und auch für andere Klassenstufen zugänglich machen.

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4 Erfahrungen aus der Projektphase

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

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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.

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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.

(28)

(29)

Anhang

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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

74081 Heilbronn Tel.: 0 71 31 / 504-307 Mobil: 0 177 / 22 32 062 Fax: 0 71 31 / 504-14 30 71 E-Mail: wild@hs-heilbronn.de

Kooperationspartner 2

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

74081 Heilbronn Tel.: 0 71 31 / 504-553 Fax: 0 71 31 / 504-559

E-Mail: rainer.schmolz@hs-heilbronn.de

Bezugsquellen

Technik LPE:

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.: 07251 / 715-0 Fax.: 07251 / 84445

Webseite: www.lebenshilfe-bruchsal.de

E-Mail.: werkstaetten@lebenshilfe-bruchsal.de Außendienst:

Karl Schuckert Keplerstraße 9 69234 Dielheim

Tel./Fax: 06222 / 72607 Mobil: 0172 6504386

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NHS Solutions

Rechner, Drucker, Projektor und Installation Netzwerk NHS solutions

Torsten Sieg Breslauer Str. 3 74172 Neckarsulm Tel.: 07132 / 989688 Fax: 07132 / 989689

Webseite: www.nhs-solutions.de E-Mail: info@nhs-solutions.de

LMS Lehrmittel-Service Materialschrank

LMS Lehrmittel-Service H. Späth GmbH

Ditzenbacher Strasse 26 73342 Bad Ditzenbach Tel.: 07334 / 9696-0 Fax: 07334 / 9696-39 Webseite: www.LMS.de E-Mail: LMS@LMS.de

Betzold z. B. Stühle

Betzold Versand

Wilhelm-Maybach-Str. 1-3 73479 Ellwangen

Tel.: 07961 / 90000 Fax: 07961 / 900050 Webseite: www.betzold.de E-Mail: service@betzold.de

Koffer-to-go

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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/

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A1 Versuchsbeschreibungen zu Versuch I:

LEGO

^®

Mindstorms Konstruktion

Betreuerversion

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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.

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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

1

(37)

Im Folgenden finden Sie einige Tipps und Ratschläge zum Bau von Fahrzeugen sowie zwei komplette Lösungen.

Raupenfahrzeug

1

2

(38)

3

4

(39)

Fahrzeug mit Schwenkrad

1

2

(40)

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.

3

4

(41)

Ein Auto mit Hilfe von Getrieben mit mehr Kraft fahren lassen

Einen Motor einbauen

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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.

(44)

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.

(45)

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

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A1 Versuchsbeschreibungen zu Versuch I:

LEGO

^®

Mindstorms Konstruktion

Schülerversion

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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 zu machen. Ihr könnt es in den unteren Bildern sehen.

RCX mit Pins an der Seite befestigt RCX liegend befestigt

!

Schnittstelle

(48)

Die Aufgabe, die euer Gefährt können soll, ist Vorwärts- und Rückwärtsfahren sowie Kurven fahren.

Ihr braucht dafür also Motoren. In den Baukästen gibt es zwei verschiedene Modelle.

Sie werden mit einem Kabel am Ausgang A, B oder C des RCX angeschlossen.

Eine einfache Lenkung könnt ihr mit den zwei grauen Motoren bauen.

Stellt euch vor, ihr sitzt in einen Rollstuhl und haltet ein Rad auf der Seite fest. Ihr fahrt eine Kurve. So könnt ihr ganz einfach lenken. Für

euer Auto müsst ihr einfach die grauen Motoren nebeneinander einbauen. Dabei ist der Abstand egal, nur die Achse muss in einer Linie sein. Wenn ein Motor nun langsamer läuft als der andere oder sogar stehen bleibt, dann fährt euer Auto eine Kurve.

Jetzt müsst ihr euer Projekt planen. Überlegt euch, wie euer Auto aussehen soll.

Hier findet ihr auch einige Beispiele für den Aufbau.

Wie befestige ich Motoren an den RCX?

1

2

(49)

Wie kann ich mein Auto langsamer und mit mehr Kraft fahren lassen?

Wie baue ich einen Kettenantrieb?

(50)

Wie baut man einen Motor an das Auto?

Wie baut man ein Schwenkrad wie bei einem Einkaufswagen?

(51)

Wie kann ich eine längere Achse bauen?

Einige Beispiele von euren Vorgängern

(52)

Ist euer Fahrzeug fertig? Ihr müsst die Motoren mit den Ausgängen A und C an eurem RCX anschließen. Wenn ihr eine Lampe an eurem Auto habt, müsst ihr die auch anschließen.

Nun kommt die Programmierung und der Test, ob euer Auto auch das tut, was es soll.

Mit dem Computer könnt ihr nun den RCX programmieren.

Startet eure Rechner. Das dauert einen kleinen Augenblick. Startet dann die Software Robolab über das Symbol, dann kommt folgender Bildschirm.

Klickt auf Run Robolab.

Bei folgendem Bildschirm klickt ihr bitte auf Programmer und ihr seht den rechten Bildschirm.

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Pilot II

Ihr seht zwei Ampeln und ein Feld dazwischen. Die grüne Ampel steht für den Programmanfang, die rote Ampel für das Programmende.

Dazwischen befinden sich ein Motor am Ausgang A und eine Lampe am Ausgang C. Hier werden beide Ausgänge gleichzeitig angesteuert, bis die Taste am Eingang 1 gedrückt wird.

Hier im Beispiel werden ein Motor und eine Lampe geschaltet. Die Zahlen

1 – 5 darunter geben die Intensität bzw. die Geschwindigkeit an und lassen sich durch Draufklicken auch ändern.

Die Ausgänge A und C können durch Draufklicken beliebig mit Motor oder Lampe beschaltet werden. Die Ausgänge könnt ihr auch mit dem Stopp-Schild ausschalten.

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.

Eure Aufgabe ist nun:

2. Programmiert das Auto so, dass es eine Sekunde vorwärts fährt. Fährt es wirklich vorwärts? Wenn nicht, wie könnt ihr es ändern?

Zeigt es eurem Betreuer, bevor ihr weitermacht.

3. Überprüft mit einem Maßband auf dem Boden, wie weit das Auto in einer Sekunde fährt. Wiederholt den Vorgang drei Mal, um zu testen, ob es immer der gleiche Wert ist.

Erste Messung: ________________________

Zweite Messung: ________________________

Dritte Messung: ________________________

4. Programmiert nun 4 Sekunden Rückwärtsfahren. Und messt die Wegstrecke aus.

Erste Messung: ________________________

Zweite Messung: ________________________

Dritte Messung: ________________________

5. Jetzt wisst ihr ja, wie weit euer Fahrzeug in einer bestimmten Zeit fährt.

Macht einen „Brems-Test“, indem ihr ein Hindernis aufstellt, vor dem das Auto stehen bleiben soll. Programmiert dazu verschiedene Zeiten ein.

(54)

Der Eingang kann entweder durch eine Uhr oder durch eine Taste dargestellt werden. Hier könnt ihr einstellen, ob die Taste beim Drücken oder beim Loslassen schaltet. Oder ihr gebt eine Zeit an, nach der die Ausgänge A und C aufhören zu funktionieren.

6. Testet die Lampe. Baut eine Lampe auf euer Fahrzeug und schließt sie an einem der Ausgänge an. Versucht nun unterschiedliche Lichtstärken.

Untersucht auch den Motor genauer. Ist die Einstellung 1 die schnellste oder langsamste Geschwindigkeit?

7. Programmiert euer Fahrzeug so, dass es auf Tastendruck stoppt. Dafür müsst ihr eine Taste mit einem langen Kabel an den entsprechenden Eingang anschließen.

Jetzt könnt ihr einen Reaktionstest machen.

Stellt ein Hindernis auf und lasst euer Auto kurz vorher zum Halten kommen.

Wer kommt dem Hindernis am nächsten?

8. Kann man jetzt auch mit eurem Auto Kurven fahren?

(55)

A2 Versuchsbeschreibungen zu Versuch II:

LEGO

^®

Mindstorms Programmierung

Betreuerversion

(56)

Versuch II

LEGO^® Mindstorms - Betreuer

Programmierung

Bei diesem Versuch steht die Programmierung des RCX-Bausteins mit der Robolab-Software im Mittelpunkt, daher eignet sich dieser Versuch, um auf Versuch I aufzubauen.

Den Schülern wird hierbei die Software erklärt und die Übertragung auf den Baustein.

Ziel ist es, eine gestellte Aufgabe – zum Beispiel einen Parcours abzufahren – im Team zu bewältigen.

Das Auto ist bei diesem Versuch durch eine Bauanleitung vorgegeben. Damit lässt sich schneller auf die eigentliche Programmierung eingehen.

Lernziel:

- Teamarbeit

- Logische Zusammenhänge bei Programmierung

Zeitplan:

Insgesamt 2h

- 10 Minuten Einführung

- 30-40 Minuten Bau des vorgegebenen Autos - 20-30 Minuten Einführung in die Software - Programmierung

- Erprobung

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Bau des Autos:

Um mit dem Bau der Fahrzeuge nicht zu viel Zeit zu verbrauchen, wird hier ein Grundmodell mit zwei Motoren vorgegeben, welches mit Sensoren und weiteren Bausteinen ergänzt werden kann.

2 x

1 x

3 x 1 x

2 x

(58)

2 x

1 x

1 x 4er

1 x 2 x 2 x

2 x 2 x

(59)

2 x

2 x 2 x 2 x

2 x

2 x 2 x

3er

(60)

Die Motoren werden jeweils durch ein kurzes Kabel mit einem der Ausgänge A und C verbunden.

2x 2x 2x

2x 1x

(61)

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.

Die Icons und Symbole sind meist selbsterklärend. Für weitere Unterstützung liegt auch ein Handbuch zur Robolab Software für den Betreuer aus.

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Pilot 4

Pilot 4 ist das flexibelste der Pilot-Level. Hier lässt sich eine unbegrenzte Anzahl von Schritten programmieren. Für die Übersichtlichkeit ist jedoch auf der Bedienoberfläche immer nur ein Schritt angezeigt. Die Nummer steht am oberen Bildrand.

Man kann hier also die Ausgänge A, B und C solange aktiv halten, bis an einem der Eingänge ein Ereignis eintritt.

Jeder Eingang ist einzeln definierbar. So kann an den Ausgängen ein Motor oder eine Lampe angeschlossen sein. Die Geschwindigkeitslevel bzw. Intensitätslevel lassen sich beliebig an den Zahlen unter den drei Blöcken A, B und C einstellen.

Das Ereignis kann beliebig an einem der drei Eingänge stattfinden. Diesen kann man mit der Zahl über dem vierten Kasten einstellen. Das Ereignis kann entweder eine Zeitdauer, eine Tastenbetätigung oder eine Reaktion des Lichtsensors sein.

Hierbei lassen sich auch Feinheiten einstellen:

- Der Taster kann bei Drücken oder Loslassen aktiv werden.

- Für den Lichtsensor lässt sich die Schwelle von 0 bis 100 einstellen, also größer oder kleiner eines bestimmten Wertes. Der Sensor sendet mit einer LED Licht aus und empfängt das reflektierte Licht mit einem Fototransistor. So können zum Beispiel Farbunterschiede wie schwarz/weiß

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Tipp: Nehmen Sie der Einfachheit halber eine bestimmte Zeitdauer oder die Tasten.

Es lassen sich nun beliebig viele solche Schritte in ein Programm aufnehmen. Die Ampeln stehen hierbei für den Programmanfang (grün) bzw. für das Programmende (rot).

Ein neuer Programmschritt lässt sich an der gewünschten Stelle durch das Plus- Zeichen einfügen und durch das Minus-Zeichen löschen.

Tipp: Löschen Sie für die ersten Programmierungen den zweiten Schritt. Damit haben die Kinder nur den ersten Programmschritt und kommen nicht durcheinander, weil ihr Auto noch zusätzlich etwas macht, was im zweiten Schritt versteckt war.

Ein neuer Schritt sieht wie folgt aus. Alle Ein- und Ausgänge lassen sich beliebig belegen.

Mit dem Pfeil unter dem Kasten wird das Programm auf den RCX-Baustein gespielt.

Hierfür muss der RCX in Reichweite der Infrarotschnittstelle und eingeschaltet sein.

Aufgabe:

1. Die Gruppen sollen sich einen Teamnamen und einen Namen für ihr Fahrzeug aussuchen

2. Die Schüler sollen das Auto so programmieren, dass es vier Sekunden vorwärts fährt.