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Westfälische Wilhelms-Universität Münster Institut für Technik und ihre Didaktik Masterarbeit im Fach Technik Entwicklung, Bau und unterrichtliche Erprobung eines optisch gesteuerten Fahrrobotermodells Themensteller: Prof. Dr. Christian Hein Vorgelegt von: Sabine Tiggemann-Schneider Weststraße 14 48341 Altenberge Matrikelnr. 332292 Studiengang: Master of Education (HRGe) Ausgabetermin: 21.04.2010 Abgabetermin: 23.08.2010

Entwicklung, Bau und unterrichtliche Erprobung eines ... · 2 1.1 Zielstellung und Methode Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, mit einer Schülergruppe einen möglichst einfa-chen

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Westfälische Wilhelms-Universität

Münster

Institut für Technik und ihre Didaktik

Masterarbeit

im Fach Technik

Entwicklung,

Bau und unterrichtliche Erprobung

eines optisch gesteuerten

Fahrrobotermodells

Themensteller: Prof. Dr. Christian Hein Vorgelegt von: Sabine Tiggemann-Schneider Weststraße 14 48341 Altenberge Matrikelnr. 332292 Studiengang: Master of Education (HRGe) Ausgabetermin: 21.04.2010 Abgabetermin: 23.08.2010

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Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ....................................................................................Seite 1

1.1. Zielstellung und Methode ...............................................Seite 2

1.2. Ergebnisform...................................................................Seite 2

2. Konstruktion................................................................................Seite 3

2.1. Anforderungsprofil..........................................................Seite 3

2.2. Mechanik.........................................................................Seite 4

2.2.1. Grundgerüst / Chassis .....................................................Seite 4

2.2.2. Antriebseinheit ................................................................Seite 6

2.2.3. Energieversorgung ..........................................................Seite 8

2.3. Elektronische Steuerung, Regelung ................................Seite 9

2.3.1 Elektronische Bauelemente.............................................Seite 11

2.3.2 Schaltung.........................................................................Seite 13

3. Technische Realisierung .............................................................Seite 16

3.1. Elektronik Lichtfolger .....................................................Seite 16

3.2. Schaltplan Lichtfolger .....................................................Seite 17

3.3. Platinenlayout, Bestückungsplan Lichtfolger .................Seite 18

3.4. Elektronik Linienfolger ...................................................Seite 19

3.5. Schaltplan Linienfolger ...................................................Seite 19

3.6. Platinenlayout, Bestückungsplan Linienfolger ...............Seite 20

4. Konstruktion / Aufbaureihenfolge ..............................................Seite 21

4.1. Bauteillisten.....................................................................Seite 23

5. Unterrichtliche Erprobung ..........................................................Seite 24

5.1. Bedingungsanalyse..........................................................Seite 24

5.2. Einordnung in die Rahmenrichtlinien .............................Seite 25

5.3. Didaktisch- methodische Umsetzung..............................Seite 25

5.4. Lernziele..........................................................................Seite 26

5.5. Stundenplanung / Verlaufspläne .....................................Seite 27

5.6. Abschließende Reflexion ................................................Seite 43

6. Literatur.......................................................................................Seite 45

7. Anhang: Bilder, Unterrichtsmaterial ...........................................Seite 46

8. Erklärung.....................................................................................Seite 74

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1. Einleitung

Kinder und Jugendliche wachsen in einer technisierten Welt auf und benutzen tech-

nische Geräte ganz selbstverständlich. Sie haben täglich Kontakt mit komplexen

technischen Systemen und sind meist begeistert von den neuesten elektronischen

Spielzeugen. In allen Lebensbereichen kann man die ständige und immer schnellere

Weiterentwicklung von Technik und ihren Einflüssen beobachten. Im Rahmen der

technischen Grundbildung müssen Schüler im Technikunterricht vorbereitet werden,

sich in einer von Technik geprägten Welt zu orientieren, so dass sie technische Gerä-

te nicht nur benutzen, sondern auch die technischen Grundprinzipien verstehen.

Die Robotik wird vielfach als Schlüsseltechnologie des dritten Jahrtausends bezeich-

net und ist nicht nur in der industrialisierten Arbeitswelt ein weites Themenfeld.

Auch im Alltag haben wir Kontakt mit autonomen Robotersystemen, sei es die Au-

towaschanlage oder die Rücknahme von Pfandflaschen im Supermarkt.

Die Tatsache, dass sich Maschinen selbständig bewegen und scheinbar eigene Ent-

scheidungen treffen, übt einen großen Reiz aus. Daher können mit Schülergruppen

bevorzugt autonome Fahrroboter gebaut werden. Diese bieten Gelegenheit sowohl

elektronische Grundkenntnisse als auch mechanische Komponenten einzuführen.

Einige Schulen bieten bereits Roboter-AGs an, in denen Schüler und Schülerinnen,

meist mit umfangreichen Bausätzen, (z.B. Lego Mindstrom) verschiedene Fahrrobo-

ter bauen und anschließend an Wettbewerben und Wettkämpfen für Schülergruppen

teilnehmen. (RoboChallenge, RobotLiga, RoboCup) Diese Bausätze bieten zwar vie-

le Möglichkeiten unterschiedliche Roboter zu bauen, geben jedoch keinen Einblick

in Aufbau und Wirkungsweise der einzelnen Komponenten, da das Stecksystem nur

fertige Module zulässt. Zudem sind die Robotik-Bausätze häufig recht teuer, so dass

nur eine begrenzte Anzahl von den Schulen gekauft wird.

Eine Alternative bieten hier autonome Fahrroboter, die aus wenigen Bauelementen

gebaut werden können und auf einfachen grundlegenden elektronischen Schaltungen

basieren. Diese sind wesentlich kostengünstiger und bieten außerdem die Möglich-

keit der individuellen Gestaltung.

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1.1 Zielstellung und Methode

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, mit einer Schülergruppe einen möglichst einfa-

chen autonomen Fahrroboter zu entwickeln, herzustellen und zu testen. Die Schüler-

gruppe soll, in Form eines außerschulischen Projekts, die notwendigen elektroni-

schen Grundlagen, die für den Bau des Fahrroboters erforderlich sind, erwerben und

auf andere Bereiche der Steuerungs- und Regelungstechnik übertragen können.

Aufbauend auf den Vorkenntnissen der Schülergruppe der Jahrgangsstufe Neun wer-

den am Beispiel des autonomen Fahrroboters, der sich auf Grund seiner Sensorik und

Aktorik in seiner Umgebung selbständig bewegt und auf entsprechende Reize rea-

giert, Grundlagen über elektronische und mechanische Komponenten und deren

Funktionsweisen und Einsatzbereiche erarbeitet. Besondere Schwerpunkte bilden

hier der Transistor, unterschiedliche Arten von Sensoren und das Flipflop.

Als Einsteigermodell bietet sich ein Fahrroboter mit einer fest verdrahteten Logik an,

da hier keine Programmierkenntnisse und nur wenige Bauteile wie Widerstände,

Transistoren und Dioden benötigt werden. Durch nur kleine Änderungen in der

Schaltung und einen Austausch von Sensoren können unterschiedliche Funktionen

realisiert werden, wie z.B. das Verfolgen einer Linie auf dem Boden oder das Suchen

einer Lichtquelle.

Die Projektmethode ermöglicht den Schülern, mit ihren unterschiedlichen fachlichen

Kompetenzen, sich gegenseitig zu unterstützen, so dass der Synergieeffekt zu einem

größeren Lernerfolg führt als bei anderen Unterrichtsmethoden.

1.2 Ergebnisform

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und den Bau zweier unterschied-

lich optisch gesteuerter Fahrrobotermodelle. Beide Roboter, sowohl der Linienfolger

als auch der Lichtfolger waren Gegenstand der Projektarbeit.

Neben der technischen Konstruktion und Realisierung dokumentiert diese Arbeit die

unterrichtliche Erprobung. Sie enthält alle für den Nachbau notwendigen Unterlagen

und Arbeitsmaterialien der Schülergruppe.

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2. Konstruktion

2.1 Anforderungsprofil

Vor der Entwicklung eines optisch gesteuerten Fahrrobotermodells steht der Ent-

scheidungsprozess über Funktionsweise, Eigenschaften und Gestaltungsform. Bei der

Entwicklung dieses Modells wird Licht zur Steuerung verwendet und es werden zwei

verschiedene Bauvarianten vorgestellt.

Der Linienfolger, erste Variante, ist in der Lage, durch eine interne Lichtquelle, in

diesem Fall eine Infrarotdiode, ein optisches Signal auszusenden und je nach Reflek-

tion auf das Signal zu reagieren. Grundlage für die Steuerung des Linienfolgers bil-

det eine auf den Boden geklebte oder gemalte Linie, die die Wegstrecke vorgibt.

Der Lichtfolger, zweite Variante, besitzt keine eigene Lichtquelle, sondern bewegt

sich auf eine Lichtquelle zu. Er wird mit einer externen Lichtquelle, z.B. einer Ta-

schenlampe, gesteuert.

Für beide Fahrrobotermodelle werden weiterhin folgende Parameter festgelegt:

• Sie sollen eine geringe Größe aufweisen und aus möglichst wenigen und kos-

tengünstigen Bauelementen gebaut werden.

• Sie sollen jeweils durch zwei Gleichstrommotoren angetrieben werden und in

der Lage sein, durch die unterschiedliche Ansteuerung dieser Motoren die

Fahrtrichtung zu ändern.

• Sie sollen durch ein integriertes Flipflop in der Lage sein, die Fahrtrichtung

beizubehalten.

• Sie sollen eine interne Stromversorgung besitzen, um unabhängig vom Netz-

betrieb zu sein.

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2.2 Mechanik

2.2.1 Grundgerüst / Chassis

Als Grundgerüst eines Fahrroboters können unterschiedliche Materialien wie z.B.

Acrylglas, Holz oder Aluminiumbleche zum Einsatz kommen. Zu beachten ist, dass

das Chassis genügend Stabilität aufweist und sich das Material gut verarbeiten lässt.

Die einfachste Möglichkeit ist, die Platine als Grundplatte zu verwenden, auf der alle

Komponenten des Roboters, also Antrieb, Elektronik und Stromversorgung, montiert

werden. Beim Platinenmaterial unterscheidet man zwischen Hartpapier– und Epo-

xydharzplatten. Hartpapierplatinen (z.B. Pertinax) lassen sich zwar gut zuschneiden,

weisen aber keine so hohe Festigkeit auf wie Epoxydharzplatten und können sich bei

hoher Beanspruchung verbiegen. Für einfache Schaltungen werden im Schulalltag

häufig auch Lochraster- oder Streifen-Lochraster-Platinen verwendet. Je nach Ver-

wendungszweck sollte die Platinengröße, Materialstärke und Beschichtungsart aus-

gewählt werden. Für die Fahrrobotermodelle eignen sich einseitig kupferkaschierte

Fotopositiv-Epoxyd-Platinen im Format 160 mm x 70mm mit einer Materialstärke

von 1,5 mm und einer Kupferschichtdicke von 35 µm.

Bei der Planung des Grundgerüsts muss auf die Anordnung der Antriebseinheit, der

Steuereinheit und der Energieversorgung geachtet werden.

Abb.1 Beispiel Modell Linienfolger

Eine falsche Platzierung von Motoren und Batterien kann die Fahreigenschaften und

Fahrbedingungen stark beeinflussen. Die Gewichtsverteilung und die geometrische

Anordnung der Motoren und der Bauelemente der Funktionseinheit muss unbedingt

beachtet werden. Das Gesamtgewicht des Linienfolgers beträgt ca. 220g, wobei das

Gewicht der Motoren und der drei Mignonzellen den größten Teil ausmachen. Sie

sind im hinteren Bereich des Fahrzeugs angebracht. Wird das Hauptgewicht zentral

über den Antriebsachsen angebracht, kann es zu Kippbewegungen kommen, ähnlich

Steuereinheit

Antriebseinheit

Energieversorgung

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einer Wippe. Bei diesen Modellen wurde auf ein Stützrad im hinteren Bereich zu

Gunsten von Filzgleitern verzichtet. Die Positionierung der Sensoren kann sich eben-

falls auf die Fahreigenschaften des Fahrzeugs auswirken. Sind sie in einem zu großen

Abstand zu den Antriebsachsen angebracht, kann es zu Pendelbewegungen kommen,

die sich extrem aufschaukeln können. Beim Linienfolger kann dies dazu führen, dass

er die Fahrbahnmarkierung gänzlich verlässt. Bei dem Modell des Linienfolgers

wurden die IR-LED und die Fototransistoren mittig der Platine und mit einem Ab-

stand von ca. 55- 60 mm zur Antriebsachse platziert. Es ist das geometrische Ver-

hältnis eines gleichseitigen Dreiecks.

Abb. Linienfolger von unten

Abb. Lichtfolger von unten

Auch beim Lichtfolger

entspricht die Anordnung

der Sensoren im Verhältnis

zur Antiebsachse in etwa

dem Verhältnis eines

gleichseitigen Dreiecks.

Bei der Planung der Platine als Grundplatte müssen Befestigungsmöglichkeiten für

die Motoren und das Batteriefach eingeplant werden, damit notwendige Bohrlöcher

keine Leiterbahnen beschädigen.

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2.2.2 Antriebseinheit

Ausgangspunkt für die Dimensionierung der Antriebskomponenten ist die Wahl ge-

eigneter Motoren und Getriebe. Die Motoren müssen in Bezug auf ihre Leistung,

Abmessung, Gewicht und Betriebspannung geeignet sein. Meistens werden für mobi-

le Roboter im Modellbau Gleichstrom- oder Schrittmotoren verwendet. Für die Kon-

struktion des Linien- bzw. des Lichtfolgers reichen kleine Gleichstrommotoren völlig

aus. Im Handel übliche Gleichstrommotoren gibt es in vielfältigen Ausführungen und

Preislagen. Da diese Motoren sehr hohe Drehzahlen (von 3 000 U/Min. bis zu 13 000

U/Min.) aufweisen, ist es unbedingt notwendig ein Getriebe einzusetzen, um die ho-

he Drehzahl des Motors auf die erforderliche Raddrehzahl zu reduzieren und das

Drehmoment zu erhöhen. Grundsätzlich kann das Übersetzungsverhältnis bei Zahn-

radgetrieben wie folgt berechnet werden:

Antriebsrad: Zähnezahl: z1 , Anzahl der Umdrehungen n1

Abtriebsrad: Zähnezahl: z2 , Anzahl der Umdrehungen n2

Zur Berechnung der Gesamtübersetzung eines Getriebes aus mehreren Zahnrad-

paaren werden die Übersetzungsverhältnisse multipliziert:

Handelsübliche Motoren mit kompletten Getriebebausätzen bieten den Vorteil, dass

sie meist mehrere Variationen der Untersetzung zulassen und dass der Durchmesser

der Motorwelle mit den Bohrungen der Getriebezahnräder übereinstimmt.

Der Motor, der für diese Modelle ausgewählt wurde, hat eine maximale Motor-

drehzahl von 13 000 U/Min. und bietet durch die mitgelieferten Zahnräder die Unter-

setzungsmöglichkeiten 203:1 und 58:1 an. In Abhängigkeit des Raddurchmessers

ergeben sich folgende Fahrgeschwindigkeiten:

...321 iiii ⋅⋅=

1

2

2

1

z

z

n

ni ==

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Untersetzungsmöglichkeiten: i1= 203 i2= 58

Maximale Motordrehzahl: n1=13000 min-1 = 217 sek-1

2

11

n

ni =

1

12

i

nn = 1

1

2 07,1203

217 −

≈= ss

n 12 07,1 −

≈ sn

2

12

n

ni =

2

12

i

nn = 1

1

2 74,358

217 −

≈= ss

n 12 74,3 −

≈ sn

Linienfolger: Raddurchmesser 40 mm )2( rU ⋅= π

s

msmnr

t

sv 134,007,102,022 1

2 ≈⋅⋅=⋅⋅==−

ππ beim Untersetzungsverhältnis 203:1

s

msmnr

t

sv 47,074,302,022 1

2 ≈⋅⋅=⋅⋅==−

ππ beim Untersetzungsverhältnis 58:1

Linienfolger: Raddurchmesser 44 mm )2( rU ⋅= π

s

msmnr

t

sv 148,007,1022,022 1

2 ≈⋅⋅=⋅⋅==−

ππ beim Untersetzungsverhältnis 203:1

s

msmnr

t

sv 52,074,3022,022 1

2 ≈⋅⋅=⋅⋅==−

ππ beim Untersetzungsverhältnis 58:1

Für beide Modelle wurde die langsamere Variante gewählt. Die angegebene maxima-

le Motordrehzahl bezieht sich auf die Leerlaufdrehzahl. Im Belastungsfall ist die

Drehzahl und somit die Fortbewegungsgeschwindigkeit etwas geringer. Grundsätz-

lich ist bei der Auswahl der Gleichstrommotoren darauf zu achten, dass die Motoren

eine ausreichende Leistung aufweisen. Allerdings sollten sie auch nicht überdimen-

sioniert werden, da sonst der Strombedarf die Akkukapazität unnötig schnell ver-

braucht. Mit einer Stromaufnahme von ca. 0,5 A sind die ausgewählten Motoren

nicht überdimensioniert und mit der Untersetzung stark genug, um die Fahrroboter

angemessen bewegen zu können. Bei den hier ausgewählten Gleichstrommotoren

handelt es sich um einen Twin-Motor-Bausatz. Hier

sind zwei getrennte Motoren mit den Getriebesätzen

zu einem Modul zusammengefasst. Durch diese

Bauform lassen sich sehr schmale und kompakte

Antriebseinheiten konstruieren.

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Für den Linienfolger und den Lichtfolger sind unterschiedliche Radgrößen gewählt

worden, da hier unterschiedliche Bedingungen von Bedeutung sind. Bei dem Linien-

folger sollte der Abstand des Infrarotsenders und der Fototransistoren zum Unter-

grund nicht zu groß sein, damit eine gute Reflektion und Signalaufnahme gewähr-

leistet ist. Daher reicht hier eine Radgröße von 40 mm Durchmesser aus. Bei dem

Lichtfolger, bei dem die Sensoren nach vorne gerichtet sind, kann eine größere Bo-

denfreiheit vorteilhaft sein, um eventuell besser kleine Bodenunebenheiten zu bewäl-

tigen. Hier wurde eine Radgröße von 44 mm Durchmesser gewählt. Die Antriebsrä-

der sind aus Vollgummi und die Bohrungen auf die Durchmesser der Motorachsen

abgestimmt.

2.2.3 Energieversorgung

Die Energieversorgung bei mobilen Robotern sollte möglichst netzunabhängig sein,

da sie sonst zu sehr in der Bewegungsfreiheit eingeschränkt sind. Bei der Wahl der

Energiequelle muss außerdem die Laufzeit und die durchschnittliche Stromaufnahme

des Roboters berücksichtigt werden, um Batterien oder Akkus mit genügend großen

Kapazitäten auszuwählen. hmeStromaufna

pazitätBatteriekaitBetriebsze =

1

Solarzellen zur Stromversorgung bilden eine Möglichkeit zur netzunabhängigen

Energieversorgung. Dann ist es jedoch notwendig, eine genügend große Fläche für

die Solarzellen und evt. zusätzliche Akkus oder Kondensatoren, die die Energie zwi-

schenspeichern, einzuplanen. Die im Modellbau angebotenen Solarzellen liefern häu-

fig nur eine Spannung von 1 V bis 3 V und 100 mA bis 380 mA Strom und funktio-

nieren nur ausreichend, wenn genügend Licht vorhanden ist. Aber genau dieses kann

sowohl bei dem Linienfolger als auch bei dem Lichtfolger als Störgröße wirken.

Spannungsquellen wie Batterien und Akkus stellen die wohl häufigste und einfachste

Variante der Energieversorgung dar. Die gebräuchlichsten Batterien für Kleinroboter

sind die 1,5 Volt-Zellen (Micro oder Mignon). Sie sind leicht zu handhaben und

können je nach gewünschter Spannung in Reihe geschaltet werden. Bei einer stärke-

ren Benutzung eines Roboters bieten sich allerdings Akkus an, die separat in einem

Ladegerät wieder aufgeladen werden können.

1 vgl. G. May (2007), S. 37

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Für den Linien- und den Lichtfolger, die vermutlich nur kurzzeitig in Betrieb sind,

werden drei 1,5 Volt Mignon-Zellen in Reihe geschaltet um die Betriebsspannung

von 4,5 Volt zu gewährleisten.

2.3 Elektronische Steuerung / Regelung

Während im alltäglichen Sprachgebrauch die Begriffe „steuern“ und „regeln“ häufig

synonym verwendet wird, beschreiben sie in der Technik unterschiedliche Sachver-

halte.

Die Definition für Steuerung nach den Richtlinien der Deutschen Industrienorm lau-

tet: „Steuerung ist ein Vorgang in einem System, bei dem ein oder mehrere Größen

als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System

eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen.“2

Die elektronische Steuerung bei den vorgestellten Fahrzeugmodellen ist durch die

fest verdrahtete Logik vorgegeben. Man spricht hier auch von einer systemimmanen-

ten Steuerung. „Diese Steuerungen sind direkt in das System integriert und stellen

damit ein festgelegtes Programm dar, (…) welches ohne Hardwareänderungen nicht

verändert werden kann.“3

Im Gegensatz zur Steuerung findet in der Regelung eine Rückkoppelung statt. Hier

lautet die Definition vom deutschen Institut für Normung: „ Das Regeln – die Rege-

lung – ist ein Vorgang, bei dem eine Größe, die Führungsgröße, verglichen und ab-

hängig vom Ergebnis dieses Vergleichs im Sinne einer Angleichung an die Füh-

rungsgröße beeinflusst wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in ei-

nem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis statt.“4

In einem automatisch geregelten System ist der Sollwert (Führungsgröße) vorgege-

ben. Die Störgröße bewirkt eine Abweichung der Regelgröße (Istwert). Die Messein-

richtung ermittelt den momentanen Istwert. Dieser wird mit dem Sollwert verglichen.

Wenn eine Regelabweichung auftritt, erzeugt die Regeleinrichtung eine Stellgröße

die auf die Regelstrecke einwirkt.

2 vgl. Deutsches Institut für Normung (1989)

3 vgl. H.W. Katzmeier (2007), S.14

4 vgl. Deutsches Institut für Normung (1989)

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Aufgrund der Rückkoppelung kann einer Differenz zwischen dem Ist- und Sollwert

entgegengewirkt werden.

Regelung:

Auf den Linienfolger bezogen ergibt sich folgender Zusammenhang:

Empfangen die Fototransistoren (Messeinrichtung) des Linienfolgers ein durch die

Lichtreflexion ausgelöstes Signal, wird dieses als Regelabweichung an die Regelein-

richtung weitergegeben. Die Fahrrichtung wird durch die Stelleinrichtung korrigiert

und der Linienfolger wird auf die geplante Fahrspur (Führungsgröße) zurückgeführt.

Die automatische Regelung des Lichtfolgers verläuft analog.

Regelstrecke

Messeinrichtung Stelleinrichtung

Regeleinrichtung

(Störgröße)

(Stellgröße)

(Regel-abweichung)

Führungsgröße (Sollwert)

(Regelgröße)

(Istwert)

(Befehl)

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2.3.1 Elektronische Bauelemente

Widerstände:

Widerstände lassen sich anhand ihrer Strom-Spannungskennlinie in die beiden Klas-

sen lineare (Ohmsche Widerstände) und nichtlineare Widerstände einteilen. Für die

Fahrzeugmodelle werden sowohl Widerstände mit konstanten Widerstandswerten

(Kohleschicht- oder Metallschichtwiderstände) als auch einstellbare Widerstände

benötigt. Genaue Angaben über die verwendeten Widerstände können aus der Bau-

teilliste (Seite 23) entnommen werden.

Einstellbare Widerstände (Potentiometer) sind in der Regel mechanisch veränderbar

und besitzen einen Kleinst- und einen Höchstwert, der durch die Widerstands-

bezeichnung angegeben ist. Sie können einen linearen oder einen logarithmischen

Widerstandsverlauf aufweisen, welcher aus dem Datenblatt des Herstellers ersicht-

lich ist. Potentiometer sind besonders bei der Entwicklung von Schaltungen und für

die Feinabstimmung von Sensoren von Vorteil.

Fotowiderstände (LDR, Light Dependet Register) verändern je nach Lichteinfall ih-

ren Widerstandwert, der sowohl von der Beleuchtungsstärke als auch vom Wellenbe-

reich des Lichtes abhängig ist. Die Abhängigkeit des Widerstandwertes von der Be-

leuchtungsstärke kann mit folgender Formel ausgedrückt werden:

R = Widerstandswert LDR-Widerstand als Funktion

E = Beleuchtungsstärke in lx der Beleuchtungsstärke

A,α = Materialkonstanten

Fotowiderstände sind für bestimmte Wellenbe-

reiche des Lichts ausgelegt. Die Angaben in

den Datenblättern beziehen sich auf eine Norm-

lichtquelle. Daher können Abweichungen, je

nach Lichtquelle (Wellenbereich), gemessen

werden.

(Quelle: E. Böhmer (1996))

α−= EAR *

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LED (Light Emitting Diode)

Bei LEDs handelt es sich um Halbleiterdioden, deren Widerstandswert sich nach

Anlegen einer Spannung verringert und nur in Durchlassrichtung Licht aussenden.

Sie sind die am häufigsten verwendeten Leuchtdioden in elektronischen Schaltungen.

Leuchtdioden reagieren sehr empfindlich auf einen zu großen Durchlassstrom. Daher

muss eine Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand oder einem anderen Strom begren-

zenden Bauteil beschaltet sein. Wie jede andere Diode ist auch die LED polungsab-

hängig. Für die Schaltung des Linienfolgers wurde eine Infrarot-Leuchtdiode ver-

wendet.

Die Infrarotlichtstrahlung der IR-Diode ist zwar für das menschliche Auge nicht

sichtbar, bietet aber den Vorteil, dass passend abgestimmte IR-Fototransistoren für

Tageslicht relativ unempfindlich sind. Die für den Linienfolger verwendete IR-LED

besitzt einen kleinen Abstrahlwinkel (17°) und vermeidet so eine zu breite Streuung

bzw. Ausleuchtung des Untergrundes.

(Quelle: Datenblatt)

Transistoren:

Sowohl für den Linienfolger als auch für den Lichtfolger werden für die Schaltung

NPN-Transistoren (BC337) verwendet. Transistoren besitzen entweder eine npn-

oder pnp-Schichtenfolge und werden bipolare Transistoren genannt. Die äußeren

Halbleiterschichten des bipolaren Transistors bilden den Kollektor (C) und Emitter

(E). Die mittlere Schicht, die Basis (B) ist die Steuerelektrode oder auch der Steuer-

eingang. Der Transistor (BC337) benötigt eine Basis-Emitterspannung UBE von min.

0,7 V, um durchzusteuern. Generell werden Transistoren für folgende Aufgaben ein-

gesetzt:

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1. Schalten von Strom und Signalflüssen

2. Verstärken von Signalen

3. Invertieren von Signalen

Fototransistoren:

Für den Linienfolger werden zwei IR-Fototransistoren verwendet, die als fotoelektri-

scher Empfänger dienen. Sie arbeiten wie andere bipolare Transistoren, besitzen

jedoch nur zwei Außenanschlüsse, Kollektor und Emitter. Der interne Basisanschluss

wird über das einfallende Licht angesteuert.

2.3.2 Schaltung

Das Grundelement der Schaltung der Fahrzeugmodelle bildet ein RS-Flipflop. Ein

Flipflop ist eine bistabile Kippstufe und kann zwei stabile Zustände einnehmen und

diese speichern. Im Allgemeinen besitzt ein Flipflop zwei Eingänge S (Set) und R

(Reset) und zwei Ausgänge Q und Q . Wird am Eingang S ein Impuls gegeben, so

wird der Ausgang Q gesetzt und gibt ein andauerndes Signal aus. Dieser Zustand

bleibt bestehen, unabhängig davon ob es nur ein kurzzeitiges oder dauerhaftes Signal

ist, bis der Eingang R ein Signal empfängt und der Ausgang Q gesetzt wird. Die

Spannungspegel der Ausgänge sind zueinander komplementär. Wird jedoch an bei-

den Eingängen ein Signal angelegt, haben die beiden Ausgänge keine komplementä-

ren Pegel und man spricht von einem irregulären Zustand der zwar technisch reali-

sierbar, aber logisch nicht zulässig ist.5

Schaltbelegungstabelle:

Eingang

S R

Ausgang

Q Q

H L H L

L L Zustand bleibt (speichern)

L H L H

L L Zustand bleibt (speichern)

H H Nicht zulässig

5 vgl. Fachkunde Industrieelektronik und Informationstechnik (1999), S. 283

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Ein RS-Flipflop kann sowohl mit IC (integrated circuit)-Bausteinen als auch mit dis-

kreten Bauelementen aufgebaut werden. Zur Realisierung der bistabilen Kippstufe

mit diskreten Bauelementen werden zwei Transistoren, die über Widerstände gegen-

einander rückgekoppelt sind, benötigt.

Wirkungsweise:

Erhält der Transistor T1 über den Eingang S einen

ausreichend großen Spannungsimpuls, wird dieser

leitend und steuert durch. Dadurch nimmt die

Spannung UCE über T1 und der Basisstrom von

T2 ab. T2 ist in diesem Zustand gesperrt, da der

Basisstrom zu gering ist und an Eingang R keine

Spannung anliegt. Die Spannung UCE über T2

steigt an und bewirkt über den gekoppelten Widerstand eine Basisstromzunahme von

T1. Der stationäre Zustand ist dann erreicht, wenn UCE von T1 bis auf die Sätti-

gungsspannung abgenommen hat. Dieser Zustand bleibt also auch erhalten, wenn am

Eingang S keine Spannung mehr anliegt. Erst wenn über den Eingang R ein Span-

nungsimpuls einwirkt, kippt die Schaltung in den zweiten stabilen Zustand. Wird an

beiden Eingängen gleichzeitig ein Spannungsimpuls gegeben, werden beide Transis-

toren während dieser Zeit leitend. Die Basisströme werden in diesem Fall jedoch

ausschließlich von den Steuerspannungsquellen und nicht von den gekoppelten Kol-

lektorströmen geliefert, da die Spannung hier jetzt zu niedrig ist. Deshalb ist dieser

Zustand nicht stabil. Sobald nur noch ein Eingang einen Spannungsimpuls liefert,

kippt die Schaltung wieder in einen stabilen Zustand zurück.

Ein weiteres Grundelement der Schaltung beider

Fahrzeugmodelle ist die Invertierstufe. Sie wird be-

nötigt um Signale umzukehren und wird hier mit

jeweils einem Widerstand und Transistor realisiert.

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Für den Linienfolger werden Fototransistoren verwendet, die reagieren, wenn Licht

auf ihre Basis trifft, d.h. wenn Licht von einer hellen Fläche reflektiert wird. Der

Motor soll jedoch in Betrieb sein, wenn kein Licht reflektiert wird, also wenn der

Roboter auf der schwarzen Linie fährt. Erst wenn Licht von der umliegenden weißen

Fläche reflektiert wird, soll der jeweilige Motor stoppen und dadurch eine Drehbe-

wegung des Fahrzeugs bewirken. Daher ist für jeden Motor eine vorangehende In-

vertierstufe erforderlich.

Für den Lichtfolger werden Fotowiderstände (LDR) als Sensoren eingesetzt, die in

einer Hellschaltung integriert sind. Abhängig von der Position des LDR in der Schal-

tung wird nach Hellschaltung und Dunkelschaltung unterschieden.

Bei der Hellschaltung wird der LDR zwischen dem Pluspol und der Basis des Tran-

sistors angeschlossen. Trifft Licht auf den LDR, verringert sich sein Widerstandswert

und die am LDR anliegende Spannung nimmt ab. Ist die Spannung UBE dann größer

als 0,7V, schaltet der Transistor durch. Durch den Einsatz eines Potentiometers kann

eine Feinabstimmung vorgenommen werden. Bei der Dunkelschaltung sind LDR und

Potentiometer vertauscht. Das hat zur Folge, dass bei geringem Lichteinfall (z.B.

Dämmerung) der LDR einen großen Widerstandwert aufweist und die am LDR an-

liegende Spannung ULDR = UBE größer als 0,7V ist und der Transistor bei Dunkelheit

durchsteuert.6

6 vgl. Umwelt Technik kompakt (2008), S. 307

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3. Technische Realisierung

Die technische Realisierung des Linienfolgers und des Lichtfolgers unterscheiden

sich nur geringfügig. Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal in der Elektronik,

ist die unterschiedliche Realisierung der optischen Ansteuerung mit verschiedenen

Sensoren. Während der Linienfolger über eine integrierte Lichtquelle und Fototransi-

toren als Sensoren verfügt, benötigt der Lichtfolger eine externe Lichtquelle, um die

Sensoren (Fotowiderstände) anzusteuern.

3.1. Elektronik Lichtfolger

Der Lichtfolger verfügt über zwei Fotowiderstände (FW 300), die über den Lichtein-

fall eine Veränderung des Widerstandswertes bewirken und somit den Stromfluss

steuern. Bei steigender Lichtintensität sinkt der Widerstandswert.

Die Fotowiderstände sind im vorderen Bereich des Fahrzeugs angebracht, so dass sie

ungehindert z.B. durch eine Taschenlampe angestrahlt werden können. Der Abstand

der Fototransistoren zueinander kann leicht variieren und experimentell bestimmt

werden. Wird der Abstand jedoch zu groß gewählt, kann dies zu Problemen führen,

da dann der Lichtkegel eventuell nicht beide Fotowiderstände gleichmäßig ausleuch-

tet. Dies ist abhängig von der verwendeten externen Lichtquelle. Bei diesem Modell

wurde der Abstand so festgelegt, dass noch zusätzlich eine Trennwand zwischen den

Fotowiderständen angebracht werden kann. Das hat den Vorteil, dass bei einer seitli-

chen Anstrahlung die Trennwand einen Schatten auf einen Fotowiderstand wirft und

eine klare Trennung in der Ansteuerung unterstützt wird.

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3.2 Schaltplan des Lichtfolgers

Die Betriebspannung beträgt 4,5 Volt und wird von drei in Reihe geschalteten 1,5

Volt Mignonzellen gewährleistet. Die Fotowiderstände mit dem darunter liegenden

Potentiometer bilden jeweils einen Spannungsteiler. Bei Lichteinfall verringern die

Fotowiderstände ihren Widerstandswert und die Spannung vor den Potentiometern

steigt an. Bei ausreichender Lichtintensität steigt die Spannung soweit an, dass die

Transistoren (T1, T2) des Flipflops über den Widerständen R5 und R6 mit einer aus-

reichend großen Basisspannung (0,7 Volt) versorgt werden. Die Transistoren (T1,

T2) steuern durch und die Spannung über deren Kollektoreingängen nimmt ab. Da-

durch bedingt und durch den Spannungsabfall über den Widerständen R7 und R8

nimmt die Spannung soweit ab, dass die Transistoren der Invertierstufe (T3, T5) kei-

ne ausreichende Basisspannung erhalten und sperren. Die Spannung an den Kollek-

toreingängen nimmt zu und schaltet damit die Transistoren T4 und T6 über ihre Ba-

sis. Sobald die Transistoren T4 und T6 durchsteuern, starten die Motoren und das

Fahrzeug bewegt sich in gradliniger Fahrtrichtung. Wird die Lichtquelle so positio-

niert, dass ein Fotowiderstand nicht oder kaum angestrahlt wird, ändert sich die

Schaltfolge so, dass nur noch ein Motor mit voller Betriebspannung fährt und eine

Drehbewegung ausgelöst wird. Das Flipflop hält diesen Zustand, bis eine neue Ände-

rung stattfindet.

In den folgenden Abbildungen der Experimentierschaltung ersetzen Glühlampen die

Motorfunktion.

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3.3 Platinenlayout und Bestückungsplan Lichtfolger

Das Platinenlayout für den Lichtfolger wie auch für den Linienfolger wurde mit dem

Software-Programm „Sprintlayout“ entworfen.

Platinenlayout Lichtfolger 7

Bestückungsplan Lichtfolger 7

7 Abbildungen verkleinert, Originalgröße 170 mm x 70 mm

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3.4 Elektronik Linienfolger

Der Linienfolger verfügt über eine IR-LED und zwei IR-Fototransistoren, die auf

ihren Wirkungsbereich abgestimmt sind. Sie sind so zueinander angeordnet, dass sie

auf geringe Veränderungen bezüglich der Lichtreflexion reagieren. Es besteht die

Möglichkeit, die Fototransitoren im Bedarfsfall mit Schutzröhrchen gegen Fremd-

lichteinfall zu versehen. Bei der Planung der Platine muss auf die Positionierung der

IR-LED und der Fototransitoren geachtet werden. Sie müssen mittig und in einem

geometrischen Verhältnis zur Achse angebracht werden. (siehe 2.2 Mechanik)

3.5 Schaltplan des Linienfolgers:

Nachdem die Betriebsspannung von 4,5 Volt angelegt ist, fließt ein Strom über die

Vorwiderstände R1 – R3 zu den optischen Bauelementen und versorgt über die Wi-

derstände R4, R5, R12 und R13 die Transistoren mit einen Kollektorstrom. An den

Motoren M1 und M2 liegt jetzt ebenfalls eine Spannung von 4,5 Volt an. Die IR-

LED sendet Licht aus, welches von der schwarzen Linie auf dem Untergrund fast

gänzlich absorbiert wird. Die Fototransistoren T1 und T2 sperren, da ihre Basis kein

oder nur ein sehr geringes Signal erhält. Die Spannung über den Kollektoreingängen

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von T1 und T2 ist nun so groß, dass die Transistoren des Flipflops T3 und T4 einen

genügend großen Basisstrom erhalten, um durchzusteuern. Da die Kollektorspan-

nung an T3 und T4 jetzt abfällt, erhalten die Transistoren der Invertierstufe T5 und

T6 keinen genügend großen Basisstrom, um durchzuschalten. Sie sperren und die

Spannung an den Kollektoreingängen von T5 und T6 ist nun ausreichend groß, um

die Transistoren T7 und T8 mit der benötigten Basisspannung zu versorgen. Die

Transistoren T7 und T8 schalten durch, die Motoren M1 und M2 starten und das

Fahrzeug fährt geradeaus.

Sobald ein Fototransistor ein Signal durch vom hellen Untergrund reflektiertes Licht

erhält, schaltet dieser durch und löst somit den Kippvorgang am Flipflop aus, so dass

in der weiteren Schaltfolge nur noch ein Motor mit voller Betriebspannung fährt.

Dadurch wird die Lenkbewegung ausgeführt, bis wieder beide Fototransistoren sich

über der Schwarzen Linie befinden und kein weiteres Signal empfangen.

3.6 Platinenlayout und Bestückungsplan Linienfolger

Platinenlayout Linienfolger 8

8 Abbildung verkleinert, Originalgröße 170 mm x 70 mm

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Bestückungsplan Linienfolger 9

4. Konstruktion / Aufbaureihenfolge

Nachdem die Platine hergestellt, mit den elektronischen Bauteilen versehen und ge-

prüft ist, kann der Zusammenbau des Modells erfolgen. Der Motorbausatz wird an-

hand der detaillierten Anleitung mit der gewünschten Untersetzung montiert. An-

schließend müssen noch die Anschlusskabel und das Batteriefach angebracht wer-

den. Beim Lichtfolger wird die Antriebseinheit unterhalb der Platine und das Batte-

riefach auf der Platine befestigt. Auf der Unterseite des Motorblocks wird ein Filz-

gleiter aufgeklebt. So kann auf ein Stützrad verzichtet werden. Zwischen den Foto-

widerständen wird die Trennwand befestigt. Die Größe und Positionierung kann ex-

perimentell ermittelt werden. Hier wurde ein kleines Holzstück (30 mm x 20 mm x 2

mm) verwendet.

9 Abbildung verkleinerte, Originalgröße 170 mm x 70 mm

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Der Aufbau des Linienfolgers verläuft analog zum Lichtfolger, nur dass hier die An-

triebseinheit und das Batteriefach oberhalb der Platine befestigt werden. Dadurch

verringert sich der Abstand der Sensoren zum Untergrund. Auch hier wird auf ein

Stützrad verzichtet und ein Filzgleiter im hinteren Bereich der Platine geklebt.

Um die Fototransistoren gegen Fremdlichteinfluss zu schützen, können noch zusätz-

lich Schutzröhrchen angebracht werden. Hierfür eignen sich Schrumpfschläuche mit

3 mm Durchmesser.

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4.1 Bauteilliste:

Linienfolger Lichtfolger

Anzahl Bezeichnung Anzahl Bezeichnung

Widerstände

130 Ohm 1 R1 --- --- 510 Ohm --- --- 2 R9, R10 1,8 K 2 R12, R13 --- 5,1 K 2 R4, R5 2 R1, R2 7,5 K 2 R10, R11 2 R7, R8 10 K --- --- 2 R5, R6 15 K 4 R2, R3, R8, R9 --- 47 K 2 R6, R7 2 R3, R4 Poti 10 K --- --- 2 P 10 K

Halbleiter

(NPN) BC 337-25

6 T3, T4, T5, T6, T7, T8

6 T1, T2, T3, T4, T5, T6

Fototransistoren SFH 309

2 T1, T2 --- ---

IR LED TSAL 6200

1 IR LED --- ---

Fotowiderstand FW 300

--- --- 2 Fotowiderstand

Verschiedenes

Epoxyd-Foto-positiv-Platine

1 Maße: 170mm x 70mm

1 Maße: 170mm x 70mm

Lötstifte 6 --- 6 --- Kontaktfedern 6 --- 6 --- Kippschalter 1 Schalter 1 Schalter Batteriefach 3x Mignon

1 --- 1 ---

Mignon-Batterie 1,5 Volt

3 --- 3 ---

Twin-Motor-Bausatz

1 M1, M2 1 M1, M2

Schrauben M3 16 mm mit Mut-ter

2 Motorbefestigung 2 Motorbefestigung

Vollräder 2 Durchmesser 40 mm

2 Durchmesser 44 mm

Filzkleber, (Klettverschluss)

1 --- 1 ---

Holzstück od. Pappe

--- --- 1 Trennwand

Litze, Lötmaterial

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5. Unterrichtliche Erprobung

Im Folgenden wird die praktische Umsetzung des Projektes vorgestellt. Alle

Schüler entschieden sich, den Lichtfolger zu bauen. Sie sahen es als vorteilhaf-

ter an, nicht an eine vorgegebene Fahrspur gebunden zu sein, sondern selbst die

Fahrstrecke mit Hilfe einer Taschenlampe vorgeben zu können.

Jede Unterrichtsstunde ist so aufgebaut, dass sie prinzipiell auf den Technikun-

terricht in der Schule übertragen werden kann. Für eine größere Schülergruppe,

z.B. eine Schulklasse, ist es jedoch sinnvoll die zeitliche Planung der Unter-

richtsstunden zu verändern. Je nach Gruppengröße, räumlichen und techni-

schen Voraussetzungen ist die Planung von der Lehrkraft neu zu strukturieren.

Durch eine weitere didaktische Reduktion lässt sich dieses Projekt auch auf die

Jahrgangsstufen 7/8 übertragen. Da dieses Projekt nur mit einer Kleingruppe

durchgeführt wurde, kann diese unterrichtliche Erprobung nur als Leitfaden

angesehen werden.

5.1 Bedingungsanalyse

Bei dem Projekt „Robotik“ handelt es sich um eine von mir geleitete außerun-

terrichtliche Arbeitsgemeinschaft, an der überwiegend Schüler aus der Jahr-

gangstufe 9 des Annette-Gymnasiums Münster teilnahmen. Die Schüler waren

von Beginn an sehr motiviert und arbeiteten sowohl bei den theoretischen wie

auch bei den praktischen Arbeiten aktiv mit. Sie besaßen ein solides theoreti-

sches Grundwissen aus ihrem vorangegangenen Physikunterricht, auf dem ich,

nach einer kurzen Wiederholung, gut aufbauen konnte. Die Schüler hatten bis-

her keinen Technikunterricht in ihrer Schule und daher auch kaum Kenntnisse

über manuelle Arbeitsweisen wie z.B. das Löten.

Für die Durchführung des Projekts konnte ich alle Räumlichkeiten, notwendi-

gen Werkzeuge, Geräte und Maschinen des Instituts für Technik und ihrer Di-

daktik nutzen.

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5.2 Einordnung in die Rahmenrichtlinien

Einzuordnen ist dieses Projekt in die Rahmenrichtlinien des Gymnasiums der

Sekundarstufe 1 Jahrgangsstufe 9/1. Das Fach Technik wird in den Jahrgangs-

stufen 9 und 10 als Wahlpflichtbereich, im Rahmen der Möglichkeiten der

Schule, angeboten.

Für die Jahrgangsstufe 9/1 sieht der Lehrplan NRW folgenden Schwerpunkt

vor:

• „Einführung in Entstehung und Struktur technischer Systeme mit der

schwerpunktmäßigen Behandlung der Planung, Entwicklung und Ferti-

gung.“1

• „Das behandelte System kann ein technisches Realobjekt oder ein Mo-

dell sein, dessen Entstehung durch analytische und/oder synthetisieren-

de Vorgehensweise vermittelt wird.“2

5.3 Didaktisch- methodische Umsetzung

Für die gesamte Durchführung wurden unterschiedliche Lehr- und Lernmetho-

den eingesetzt. Zu Beginn des Projekts wurden den Schülern unterschiedliche

Fahrrobotermodelle vorgestellt und mit ihnen gemeinsam analysiert.

Um die Vorkenntnisse der Schüler zu ermitteln und eine gemeinsame Grundla-

ge zu schaffen, wurde zu Beginn der Unterrichtsreihe ein Brainstorming

durchgeführt. Aufbauend auf der so ermittelten Wissensbasis und unter Rück-

bezug auf die Fahrrobotermodelle wurden grundlegende Kenntnisse sowohl

über die verwendeten elektronischen Bauelemente wie auch elektronische

Schaltungen überwiegend durch Experimentierschaltungen erarbeitet. Durch

offene Aufgabenstellungen und Versuchsaufbauten am Steckbrett wurde eine

hohe Handlungsorientiertheit gewährleistet. Die Schüler konnten so eigene Er-

fahrungen im Umgang mit elektronischen Bauelementen und den erforderli-

chen Messinstrumenten sammeln.

1 + 2 vgl. Richtlinien und Lehrpläne Technik Gymnasium Sek 1 NRW, S.43

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Zur Erstellung der Platinenlayouts wurde eine den Schülern bis dahin unbe-

kannte Software eingesetzt. Für die konkrete Umsetzung und für die manuelle

Fertigung wurde häufig die Methode der Lehrerdemonstration gewählt. So

konnten grundlegende manuelle Fertigkeiten vermittelt werden, ohne die Schü-

ler einer Verletzungsgefahr auszusetzen und unnötig viel Material zu verbrau-

chen. Anschließend konnten die Schüler, z.B. durch gezielte Lötübungen, ihre

manuellen Fähigkeiten und Fertigkeiten erweitern. Der Aspekt der eigenen Si-

cherheit und der richtige Umgang mit Materialien, Geräten und Maschinen

wurde immer direkt vor den praktischen Arbeiten eingehend behandelt.

Während der Arbeitsphasen wurde als Sozialform überwiegend die Partner-

oder Gruppenarbeit gewählt, da diese Lernform das gemeinsame Entwickeln

von Ideen und Lösungen fördert und die sozialen Beziehungen innerhalb der

Gruppe gestärkt werden. In der Fertigungsphase arbeiteten die Schüler in Ein-

zelarbeit, unterstützten sich aber gegenseitig, wenn Probleme auftraten.

5.4 Lernziele

Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist, die Begeisterung für das Fachge-

biet der Elektronik zu fördern und grundlegendes Basiswissen über elektroni-

sche Bauelemente und Schaltungen anhand der Fahrrobotermodelle zu vermit-

teln. Durch die Faszination der Robotik sind die Jugendlichen besonders moti-

viert, sich mit elektronischen Problemstellungen auseinander zu setzen.

Zu Beginn des Projekts werden elektronische Grundlagen erarbeitet. Die Schü-

ler sind anschließend in der Lage, alle für den Fahrroboter notwendigen elekt-

ronischen Bauelemente fachgerecht zu verarbeiten und deren Arbeitsweise zu

erklären. Sie können mit der Hilfe des Multimeters Widerstandswerte bestim-

men, Transistoren prüfen, Spannungen und Ströme messen. Weiterhin sind sie

in der Lage, Schaltpläne zu analysieren und die entsprechenden Schaltungen

am Steckbrett zu realisieren oder sie als Platinenlayout umzusetzen.

In der zweiten Hälfte des Projekts wird das erworbene Wissen auf die reale

Arbeit am Fahrrobotermodell übertragen. Die Schüler arbeiten rationell und

zielgerichtet, planen ihre Arbeitsschritte und führen diese sachgemäß durch.

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Probleme werden erkannt, analysiert und durch unterschiedliche Strategien Lö-

sungen erprobt. Ihre handwerklichen Fertigkeiten werden ausgeprägt und sie

sind in der Lage ihre eigenen Arbeiten zu beurteilen. Sie sind sehr kreativ in

der Gestaltung der Fahrroboter und in der Lage ihre Ergebnisse zu präsentie-

ren. Durch ihr selbständiges und zielstrebiges Arbeiten entwickeln sie Selbst-

vertrauen und übernehmen Verantwortung für ihr eigenes Handeln. Sie lernen

während des Projekts mit Erfolgen und Misserfolgen umzugehen, Hilfe anderer

aufzugreifen und selbst auch anderen zu helfen. Die Schüler sind auch in der

Lage, ihr erworbenes Fachwissen und fachliches Können auf andere technische

Handlungszusammenhänge aus ihrem Lebensalltag zu übertragen.

5.5 Stundenplanung /Verlaufspläne

Das ganze Projekt umfasst neun Unterrichtseinheiten. Jede Einheit ist mit je-

weils zwei Zeitstunden geplant. In den ersten Stunden überwiegt die theoreti-

sche Wissensvermittlung mit vielen experimentellen Phasen. Hier können die

Schüler, besonders durch Übungen am Steckbrett und mit Hilfe des Multime-

ters, grundlegende Erfahrungen mit elektronischen Bauelementen und Schal-

tungen sammeln. In den folgenden Stunden können die Schüler ihr Wissen auf

die Fahrrobotermodelle übertragen, indem sie Schaltpläne analysieren, die ent-

sprechende Schaltungen am Steckbrett aufbauen und testen. Anschließend ar-

beiten sie am Computer und entwerfen ein Platinenlayout. In den folgenden

Stunden wird überwiegend an der Fertigung der Modelle gearbeitet und die

Schüler können ihre manuellen Fertigkeiten entwickeln.

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1. Projektstunde: 23.4.2010 Themen:

• Elektronische Bauelemente kennen lernen • Widerstandswerte bestimmen und mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes berechnen • Reihen- und Parallelschaltungen mit Widerständen

Zeit / Phase Stoffschwerpunkt, Unterrichtsgeschehen Material/Medien 18.00 Begrüßung

erste Infos über den geplanten Ablauf, Organisatorisches: Termine festlegen, Teilnehmerliste

Teilnehmerliste Terminkalender

18.10 Motivation Vorstellen der Fahrroboter, Demonstration

Fahrrobotermodelle Platte mit Fahrspur

18.20 Vorkenntnisse ermitteln

Brainstorming zum Thema: „Elektronik, Strom, elektronische Schaltungen“ Schüler schreiben Stichwörter an die Tafel

Tafel, Kreide

18.25 Schaffung Aus-gangsniveau

Auswertung Brainstorming, Schüler erläutern ihre Stichpunkte

18.30 Theoretische Ein-führung

Aufbauend auf dem Brainstorming werden erste Grundlagen der Elektronik erarbeitet (Strom, Spannung, Widerstand), Sicherheit im Umgang mit Strom, Rückbezug zu den Robotermodellen, indem analysiert wird welche elektronischen Bauteile verwendet worden sind. Schüler analysieren Roboter

Infoblätter Elektronik Roboter

19.00 Übungsphase

Schwerpunkt Widerstände: Widerstandswerte bestimmen mit Hilfe des Multimeters

Widerstände, Infoblatt Messgerät, Multimeter Infoblatt elektr. Größen messen

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19.15 Erarbeitungsphase mit Übungen

Einfacher Stromkreis, Ohmsches Gesetz, Widerstandswerte berechnen, Versuchsaufbau zum Ohmschen Gesetz, Messungen in Diagrammdarstellung Reihen-, Parallelschaltung mit Widerständen

Infoblätter Ohm. Ge-setz, AB Aufgaben, Infoblatt Steckbrett, AB Ohm. Gesetz, Infoblatt und Aufga-ben Reihen-, Parallel-schaltung, Steckbrett, Lampe, Widerstände, Messgerät, Kabelbrü-cken

19.50 Auswertung, Sicherung

Ergebnisse im Gruppengespräch auswerten, begründen, Grundaussagen sichern

Tafel, Kreide

20.00

Abschluss

Reflexion:

Bei der Planung dieser Stunde war ich mir nicht sicher, ob der Themenbereich zu umfangreich gewählt war. Es stellte

sich jedoch heraus, dass die Schüler über ein gutes, aber nur bedingt präsentes Grundwissen verfügten. Vieles war ih-

nen bekannt, so dass diese Stunde zur Wiederauffrischung ihres Wissens und zur Schaffung eines gemeinsamen Aus-

gangsniveaus diente. Neu für die Schüler war der konkrete Umgang mit den Bauelementen und Materialien. Sie ent-

wickelten viel Ausdauer bei den Versuchsaufbauten und experimentierten ausgiebig am Steckbrett. Die Arbeitsatmo-

sphäre war sehr entspannt, was sicherlich darauf zurückzuführen war, dass die Schüler sich bereits kannten und kein

Leistungsdruck bestand.

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2. Projektstunde: 30.4.2010 Themen:

• Aufbau, Funktion und Arbeitsweise des Transistors • Schaltungen mit Transistoren (Emitterschaltung) • weitere Bauelemente die zum Bau des Lichtfolgers benötigt werden

Zeit / Phase Stoffschwerpunkt, Unterrichtsgeschehen Material/Medien 17.30 Begrüßung und Wiederholung

Kurze Wiederholung Ohmsche Widerstände, lineare Kennli-nie, Sicherheit im Umgang mit Strom

Steckbrett, Multime-ter, Widerstände

17.40 Motivation

Linienfolger und Lichtfolger werden von Schülern auspro-biert Problemstellung: Warum bleibt der Linienfolger auf seiner Fahrspur? Warum folgt der Lichtfolger dem Licht der Ta-schenlampe? Erste Vermutungen erarbeiten.

Fahrrobotermodelle, Platte mit Fahrspur, Taschenlampe

17.55 Einstiegsphase

Linienfolger und Lichtfolger genau betrachten und analysie-ren, weitere elektronische Bauteile des Lichtfolgers erken-nen und benennen

LED, Fototransistor, Transistor, Fotowider-stände

18.00 Erarbeitungsphase mit Übungen

Transistor: Unterschiedliche Bauformen, Aufbau, Arbeitswei-se und Einsatzbereiche Übung am Steckbrett

Versch. Transistoren, Infoblatt Transistor Aufgabe mit Transistor

18.45 Arbeitsphase, neuer Stoff

Emitterschaltung, Berechnungen Transistor, Kennlinienfeld Weitere Bauelemente die für den Bau benötigt werden: Fo-totransistor, LED, Fotowiderstand

Infoblatt Bauelemen-te, Fototransistoren, versch. LEDs, Fotowi-derstände

19.15 Experimentierphase

Wie könnten Schaltpläne der Fahrrobotermodelle aussehen? Wie zeichnet man eine Schaltung?

Tafel , Kreide, Schaltplan

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19.25 Motivation

Genormte Symbole, Einführung Schaltplan richtig lesen als Vorschau auf die nächste Std.

Schaltplan

19.30 Ende

Reflexion:

Die Wiederholung zu Beginn der Stunde diente der Einführung in das Thema. Die Schüler waren jedoch direkt

mit Betreten des Raumes wieder auf die Robotik bzw. Elektronik eingestimmt, so dass dieser Abschnitt kürzer

gehalten werden konnte als geplant. Wichtig war mir die Wiederholung der Sicherheitsaspekte. Die anschlie-

ßende Motivationsphase wurde von den Schülern ausgiebig genutzt, um die Fahrroboter auszuprobieren. Das

Themenfeld des Transistors war sehr umfangreich gestaltet. Arbeitsweise und Einsatzbereiche des Transistors

wurden anhand der Übung gut verdeutlicht. Bei den Berechnungen am Transistor und den Kennlinienfeldern

flachte die Konzentration jedoch deutlich ab. Hier wäre es vermutlich besser gewesen, noch eine praktische

Übung mehr in die Stunde einzubauen. Der Versuch, selbst eine Schaltung zu entwerfen, zeigte, dass die Schü-

ler sehr kreativ sind. Sie erkannten, wie wichtig genormte Symbole sind. Insgesamt verlief die Stunde, bis auf

kleine zeitliche Verschiebungen, wie geplant.

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3. Projektstunde: 7.5.2010 Themen:

• Aufbau und Funktion der Flipflopschaltung • Schaltpläne richtig lesen • Theoretische Einführung der Platinenherstellung • Entwicklung eines Platinenlayouts

Zeit / Phase Stoffschwerpunkt, Unterrichtsgeschehen Material/Medien 18.00 Begrüßung und Wiederholung

Wiederholung Transistor, Schüler erklären Aufbau und Funk-tionsweise des Transistors im Gruppengespräch

Transistoren, Fahrro-botermodelle

18.15 Arbeitsphase Vertiefung

Schüler erklären Funktion von Transistoren anhand einer aufgebauten Schaltung auf dem Steckbrett

Transistoren, aufge-baute Schaltung

18.25 Erarbeitungsphase

Flipflop-Schaltung, Aufbau, Funktion, Wirkungsweise. Anhand des Tafelbildes wird die Arbeitsweise eines Flipflops erarbeitet

Tafelbild der Flipflop-schaltung

18.50 Übungsphase

Übung Steckbrett, Aufbau einer Flipflopschaltung, Funkti-onsweise testen, experimentieren

Infoblatt Flipflop, Steckbrett, Bauelemente

19.10 Erarbeitungsphase

Schaltplan, wie lese ich einen Schaltplan Schaltplan mit der „wenn-dann“ Methode analysieren

Tafelbild, Schaltpläne einf. Schaltungen und Schaltpläne der Fahr-roboter

19.25 Theoretische Einführung

Vom Schaltplan zur Platine, Vergleich der unterschiedlichen Darstellung der Schaltung, Schaltskizze vs. Platine Einführung Sprintlayout, wichtige Grundeinstellungen werden in Form einer Lehrerdemonstration gezeigt

Schaltplan, fertige Pla-tine, Laptop

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19.45 Erarbeitungsphase

Schüler machen sich mit dem Programm vertraut, beginnen Platinenlayout in Einzel- oder Partnerarbeit zu erstellen

PCs, Software Sprint-layout

20.00 Ende der Stunde

Reflexion:

Die Wiederholungsphase zu Beginn der Stunde war sehr wichtig, um die Grundlagen und die Arbeitsweise

des Transistors zu vertiefen. Im Gruppengespräch unterstützten sich die Schüler gegenseitig und erklärten

noch mal ausführlich die Funktion des Transistors. Dadurch nahm die Wiederholungsphase deutlich mehr Zeit

in Anspruch als ursprünglich geplant war. Anhand der Flipflop-Schaltung konnten die Schüler ihr neues Wis-

sen über Transistoren direkt anwenden. Der Aufbau am Steckbrett ging überraschend zügig und in der Expe-

rimentierphase wurde intensiv die Flipflopschaltung mit unterschiedlichen Widerständen und zusätzlichen

LEDs getestet. Das Lesen eines Schaltplans fiel den Schülern leicht. Auch die abstraktere Darstellung der

Schaltung auf einer Platine bereitete keine Schwierigkeiten. Das Arbeiten am PC ist den Schülern vertraut und

da das Programm übersichtlich gestaltet ist, arbeiteten sich die Schüler schnell ein. Um 20 Uhr war das Ende

der Unterrichtseinheit geplant. Da die Schüler aber gerne noch das neue Programm länger ausprobieren woll-

ten, habe ich die Unterrichtseinheit um eine halbe Stunde verlängert.

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4. Projektstunde: 21.5.2010 Thema: Erstellen eines Platinelayouts am PC mit der Software Sprintlayout

Zeit / Phase Stoffschwerpunkt, Unterrichtsgeschehen Material/Medien 18.00 Begrüßung, Ein-führung

Besprechung der weiteren Durchführung

Tafelbild, Ablaufplan

18.10 Einstiegsphase

Bevor die Schüler ihr Platinenlayout erstellen, werden grund-sätzliche Kriterien erarbeitet

• Planung Platine • Positionierung der Bauteile besonders der Sensoren,

Schalter, Anschlüsse der Motoren und des Batterie-fachs

• Stärke der Leiterbahnen und Lötpunkte

Fahrroboter und ferti-ge Platine als De-monstrationsmodell

18.25 Arbeitsphase

Schüler entwerfen eigenes Platinenlayout in Einzel- oder Partnerarbeit am PC Drucken ihren Entwurf aus

PCs oder Laptops mit dem Programm, Drucker

19.20 Überprüfung Korrekturphase

Schüler überprüfen ihre Entwürfe indem sie • die Bauteile auf den Ausdruck legen • Schaltskizze und Layout kontrollieren • Größe der Lötpunkte kontrollieren • Bohrungen zur Motorfestigung kontrollieren

Führen erste Korrekturen aus

Bauelemente

19.25 Arbeitsphase

Arbeiten am Layout Da die Schüler unterschiedlich schnell arbeiten, werden ihre Entwürfe gemeinsam in Einzel- oder Gruppengesprächen überprüft

PCs Sprintlayout Drucker

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19.40 Arbeitsphase

Nach der gemeinsamen Überprüfung führen die Schüler wei-tere Korrekturen aus und drucken ihren Entwurf erneut aus. Das Layout wird beschriftet, damit später beim Zusammen-bau die richtigen Bauelemente an der richtigen Stelle einge-fügt werden.

PCs Sprintlayout Drucker

19.50 Motivationsphase

Vorschau auf die nächste Stunde Wie entsteht eine Platine? Arbeitsschritte, Vorgehensweise Belichtungsgerät, Entwicklung, Ätzbad

Infoblatt Platine her-stellen Foto-Positiv-Platine

20.00 Ende

Reflexion:

Die Schüler arbeiteten sehr konzentriert und überwiegend in Einzelarbeit. Bei Problemen halfen sie sich häufig

gegenseitig. Das Erstellen des Platinenlayouts am PC stellte für die Schüler insgesamt gesehen kein großes

Problem dar, auch wenn anfangs noch viele Fehler gemacht wurden. Durch die Kontrolle am Papierausdruck

konnten sie selbst einige Fehler feststellen und beheben. Ein häufiger Fehler war die zu enge Platzierung der

Bauelemente. Bei der gemeinsamen Kontrolle ihrer Entwürfe wurde die Schaltung noch einmal wiederholt, so

dass sie ihr Wissen vertieften. Die zeitliche Planung passte in dieser Stunde nicht ganz. Für das Erstellen des

Layouts sollte daher etwas mehr Zeit eingeplant werden. Wir beendeten die Stunde auf Wunsch der Schüler

erst um 20.30 Uhr. Besonders gut waren die räumlichen Voraussetzungen im Institut. So konnte ich mit den

Schülern zu Einzel- oder Gruppengesprächen in einen gesonderten Raum gehen, ohne die andern beim Arbeiten

zu stören. Durch die gemeinsame Kontrolle ihrer Layouts konnte ich mir im Gespräch mit ihnen ein Bild über

ihr erlerntes Wissen machen.

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5. Projektstunde: 28.5.2010 Themen:

• Foto-Positiv-Platinen belichten, entwickeln und ätzen • Mit der Ständerbohrmaschine die Platine bohren

Zeit / Phase Stoffschwerpunkt, Unterrichtsgeschehen Material/Medien 18.00 Einstiegsphase

Begrüßung Wiederholung Platinenlayout

Infoblatt Platinen her-stellen

18.10 Erarbeitungsphase

Lehrerdemonstration: Herstellung einer Platine mit Sicher-heitshinweisen über Chemikalien, Geräte und Materialien

Platinenlayout, Folien, Platinen, Belichtungs-gerät, Entwickler, Ätz-bad

18.25 Organisations- phase

Ablaufplan: Wer ist wie weit und macht was? letzte Korrekturen ausführen, ausdrucken, Folie kopieren, Platine belichten, entwickeln, ätzen

18.30 Arbeitsphase

Einige Schüler führen noch Korrekturen aus, andere begin-nen mit der Herstellung der Platine

Foto-Positiv-Platinen, Belichtungsgerät, Handschuhe, Schutz-brille, evt. Schürze, Entwickler, Ätzbad

18.50 Erarbeitungsphase

Während die ersten Platinen im Ätzbad sind (ca.20-25 Min), demonstriere ich den Umgang mit der Ständerbohrmaschi-ne, Sicherheitshinweise, Schüler führen Probebohrungen aus

Ständerbohrmaschine Platinenreste für Pro-bebohrungen

19.15 Arbeitsphase

Versetztes Arbeiten, Platinenherstellung, Platine bohren

20.00 Aufräumen, Ende

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Reflexion:

Diese Stunde war dadurch gekennzeichnet, dass die Schüler zeitlich versetzt unterschiedliche Arbeiten durch-

führten. Wichtig war es mir im Vorfeld, die weitere Vorgehensweise gemeinsam zu besprechen, damit jeder

Schüler genau wusste, was er als nächstes zu tun hatte. Bei der Demonstration der Platinenherstellung waren al-

le Schüler anwesend. Die Einführung an der Bohrmaschine habe ich mit nur jeweils zwei Schülern durchge-

führt. Durch das versetzte Arbeiten konnte ein Stau bei der Platinenanfertigung oder an der Bohrmaschine

weitgehend verhindert werden.

Die Schüler arbeiteten insgesamt sehr selbständig und benötigten kaum weitere Hilfen. Zu beachten war, dass

ab 19.30 Uhr keine Platinen mehr ins Ätzbad gehängt wurden, da sonst die Unterrichtstunde nicht um 20.00

Uhr hätte beendet werden können. Schüler die sehr schnell gearbeitet hatten, nutzten die noch zur Verfügung

stehende Zeit, um die Bauteile für ihren Fahrroboter zusammenzustellen, oder begannen mit den Aufräumarbei-

ten.

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6. Projektstunde: 11.06.2010 Thema:

• Richtiges Löten

Zeit / Phase Stoffschwerpunkt, Unterrichtsgeschehen Material/Medien 18.00 Einstiegsphase

Begrüßung, Organisatorisches

18.05 Organisations- phase

Besprechung der weiteren Vorgehensweise, Wer ist wie weit und macht was? Ablaufplan Kurze Wiederholung Platinenherstellung und Bohren, Si-cherheitshinweise

Infoblatt Platine her-stellen

18.15 Erarbeitungsphase

Richtig löten, theoretische Grundlagen, Materialien, Lötkol-ben etc. Sicherheitshinweise Lehrerdemonstration „richtiges Löten“

Infoblatt „richtig lö-ten“, Lötkolben, Reste von Lochstreifenplati-nen, Widerstände, Lötkolben, Lötzinn, Lötpumpe etc.

18.40 Übungsphase

Lötübungen, Widerstände einlöten, überprüfen, Lötstellen beurteilen, auslöten, manuelle Fertigkeiten üben

Lötkolben, Reste von Lochstreifenplatinen, Widerstände, Lötkolben, Lötzinn, Lötpumpe etc.

18.55 Arbeitsphase

Arbeitsbeginn Fertigung Fahrroboter, jeder Schüler setzt seine Arbeit fort, differenziertes Arbeiten

Materialien und Geräte zur Platinenherstel-lung, Foto-Positiv-Platinen, Ständer-bohrmaschine, Lötutensilien

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19.50 Aufräumphase

Die Schüler räumen ihre Arbeitsplätze auf

20.00

Ende

Reflexion:

Die Schüler waren sehr interessiert und bei den praktischen Arbeiten besonders motiviert. Durch die Lötübun-

gen erlangten sie Sicherheit im Umgang mit dem Lötkolben und den Materialien. Insgesamt herrschte eine gute

Arbeitsatmosphäre. Wichtig in dieser Stunde war mir die Kontrolle ihrer Arbeitsabschnitte. Die Bauteile wur-

den vor ihrem Einbau kontrolliert (Widerstandswerte vor dem Einlöten messen, Transistoren prüfen, etc.) damit

Fehlerquellen ausgeschlossen werden konnten. Die Schüler führten nach dem Einlöten der Sensoren und der

Fertigstellung des Flipflops jeweils eine Funktionskontrolle durch. Eine Fehlersuche nach der kompletten Fer-

tigstellung der Platine kann sich als recht mühsam erweisen, daher ist eine Schrittweise Überprüfung sehr sinn-

voll. Die Stunde endete nicht wie geplant um 20.00 Uhr sondern erst um 20.45 Uhr, da die Schüler ihre ange-

fangenen Arbeiten nicht unterbrechen wollten. Da wir in diesem Projekt nicht zeitlich gebunden waren, ließ ich

die Schüler weiterarbeiten. In einem Schulprojekt müsste man sich sicherlich mehr an die zeitlichen Vorgaben

halten.

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7. Projektstunde: 18.06.2010 und 8. Projektstunde: 25.06.2010 Thema:

• Bau des Lichtfolgers

Zeit / Phase Stoffschwerpunkt, Unterrichtsgeschehen Material/Medien 18.00 Begrüßung

18.05 Organisations- phase

Besprechung der weiteren Vorgehensweise, Ablaufplan: Wer ist wie weit und macht was? Fragen klären

18.15 Theoretische Ein-führung

Erarbeitung der Untersetzungsmöglichkeiten der Getriebe-motoren, Erarbeitung des Zusammenbaus der Getriebe anhand der Aufbauanleitung

Bausatz Getriebemo-toren

18.40 Arbeitsphase

Arbeitsbeginn Fertigung Fahrroboter, jeder Schüler setzt seine Arbeit fort

• Platine fertigen • Motoren zusammenbauen • Batteriefach anbringen • Kabel anbringen • Funktionskontrolle • Filzgleiter /Stütze anbringen

Materialien und Geräte zur Platinenherstel-lung, Foto-Positiv-Platinen, Ständer-bohrmaschine, Lötutensilien, Bauele-mente, Werkzeuge wie Zange, Schrau-bendreher etc.

19.50 Aufräumphase

Die Schüler räumen ihre Arbeitsplätze auf

20.00

Ende

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Reflexion:

Diese beiden Unterrichtseinheiten waren Arbeitsstunden, an denen die Jugendlichen intensiv an ihren Fahrrobo-

tern arbeiteten. Zu Beginn jeder Stunde wurde geklärt, was jeder Einzelne zu tun hat. Fragen zur weiteren Vor-

gehensweise wurden im Vorfeld beantwortet. Die Bauanleitung des Getriebebausatzes ist sehr detailliert mit

vielen Abbildungen gestaltet. Nach einer gemeinsamen Besprechung der Vorgehensweise der Montage und der

Bedeutung der unterschiedlichen Untersetzungsmöglichkeiten, bauten die Schüler den Twin-Motorbausatz ohne

große Schwierigkeiten zusammen.

Die Schüler hatten den Ehrgeiz, selbst alle Arbeitsschritte an ihrem eigenen Fahrroboter durchzuführen. Nach-

dem die Platinen gelötet waren, wurden die Motoren zusammengebaut und das Batteriefach angebracht. Ein

Schüler sah es nicht als notwendig an, Lötstifte und Kontaktfedern anzulöten. Im Nachhinein merkte er aber,

dass dieses doch sinnvoll gewesen wäre. So musste er mehrfach die Kabelverbindungen auslöten, bis seine Mo-

toren mit der korrekten Drehrichtung für das jeweilige Rad angeschlossen waren. Nach der Funktionskontrolle

mussten noch kleinere Fehler behoben werden. Bis auf einige kreative Feinheiten wurden die Fahrroboter in

diesen Stunden fertig gestellt.

Der zeitliche Rahmen dieser beiden Unterrichteinheiten konnte weitgehend eingehalten werden.

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9. Projektstunde: 02.07.2010 Themen:

• Fertigstellung der Fahrroboter und Feinabstimmung der Sensoren • Weitere häufig verwendete Bauteile in der Robotik

Zeit / Phase Stoffschwerpunkt, Unterrichtsgeschehen Material/Medien 18.00 Begrüßung

18.05 Einstiegsphase

Jeder Schüler stellt kurz seinen Fahrroboter vor und berich-tet über aufgetretene Probleme und noch auszuführende Arbeiten

18.15 Arbeitsphase

Die Schüler beginnen mit ihren abschließenden Arbeiten • Feinabstimmung der Sensoren • Kleine Verbesserungen • Kreative Verschönerungen

Testfahrten

Lötutensilien und Werkzeuge, Bauele-mente, Taschenlam-pen

19.00 Aufräumphase

Die Schüler räumen ihre Arbeitsplätze auf

19.15 Erarbeitungsphase

Weitere Informationen über häufig verwendete Bauteile in einfachen elektronischen Schaltungen: Kondensatoren, Dioden, Relais

Infoblatt „Weitere Bauelemente“, Kon-densatoren, Dioden, etc.

19.45 Evaluation

Schüler füllen in Einzelarbeit Evaluationsbogen aus, In einer Gesprächsrunde wird über das Projekt reflektiert, Verbesserungsvorschläge werden erarbeitet, Umsetzung als Schulprojekt, weitere Ideen für Roboter

20.00 Ende

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5.6 Abschließende Reflexion

Dieses Projekt diente der unterrichtlichen Erprobung, einfache Fahrroboter mit

einer Schülergruppe zu bauen, und sie so für das Fachgebiet der Elektronik zu

begeistern.

Diese Arbeit stellt keine Unterrichtsreihe dar, die unverändert auf den Tech-

nikunterricht in der Schule übertragen werden kann. Sie dient eher als Leitfa-

den und Unterrichtsvorschlag, der mit entsprechenden zeitlichen und struktu-

rellen Veränderungen genutzt werden kann, um Schülerinnen und Schüler mit

dem Themenfeld der Elektronik vertraut zu machen. Neben dem theoretischen

Wissen, das die Schülerinnen und Schüler erwerben, ist praktische Anwendung

unverzichtbar, um elektronische Zusammenhänge zu verstehen.

Die Schülergruppe war während des gesamten Projekts sehr motiviert und inte-

ressiert an allen technischen Sachverhalten. Überrascht haben mich die guten

Vorkenntnisse der Schüler. So konnte ich gut auf ihr Wissen aufbauen und die

theoretischen Grundlagen in relativ kurzer Zeit mit ihnen erarbeiten. Die At-

mosphäre während der Stunden war sehr angenehm. Auch wenn es zwischen-

zeitlich Probleme mit den Fahrrobotern gab, hatten doch alle Schüler zum

Schluss das Erfolgserlebnis, einen funktionstüchtigen selbstgebauten Fahrrobo-

ter mit nach Hause nehmen zu können. Einige hatten schon Ideen für weitere

Roboter in anderen Variationen mit veränderten Eigenschaften.

Schade war, dass die Projektgruppe eine reine Jungengruppe war. Sicherlich

hätten sich auch Mädchen für dieses Themenfeld begeistert.

Mit einer größeren Schülergruppe, z. B. einer Schulklasse, müsste sicherlich

die zeitliche Planung verändert werden. Wie dieses im Einzelnen aussehen

würde, ist dann von der Jahrgangsstufe, Klassengröße, den räumlichen und

technischen Voraussetzungen und der Lehrkraft abhängig.

Insgesamt hat mir, und ich glaube auch den Schülern, das Projekt sehr viel

Spaß gemacht und die Lernziele wurden meines Erachtens weitgehend erreicht,

auch wenn ich diese nicht durch schriftliche Tests überprüft habe. Ich habe

bewusst keine schriftlichen Tests oder Wissensabfragen zur Leistungsbeurtei-

lung durchgeführt. Da die Jugendlichen freiwillig, in ihrer Freizeit, an diesem

Projekt teilnahmen, wollte ich keinen Leistungsdruck durch schriftliche Tests

aufbauen. Sollte eine Leistungsbeurteilung in einem Schulprojekt notwendig

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sein, lassen sich sicherlich Aufgaben und Beurteilungskriterien zur Notenbil-

dung finden. Zusätzlich müssten mehr Sicherungsphasen eingeplant werden.

Für die Schüler der Projektgruppe hatte ich Arbeitsmaterialien zum Nachlesen

zusammengestellt. Diese und die Aufgabenstellungen für die Übungsphasen

befinden sich im Anhang.

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6. Literatur

Böhmer, E.: (1996). Elemente der angewandten Elektronik. Kompendium für

Ausbildung und Beruf. Braunschweig/Wiesbaden: 10. überarbeitete Auf-lage. Vieweg Verlag

DIN Deutsches Institut für Normung e.V. (Hg.): (1989). DIN Taschenbuch 25.

Begriffe der Informationstechnik. 7. Auflage. Berlin, Köln, Beuth Verlag GmbH

Hübscher, H. u. a.: (1982). Elektrotechnik. Grundstufe. Braunschweig: 3. Aufla-

ge. Westermann Verlag May, G.: (2007). Mobile Roboter selbstgebaut. Aachen: Elektor Verlag Helling, K. u. a.: (2008). Umwelt Technik kompakt. Stuttgart: Klett Verlag Reber, F.: (2005). Elektronik leicht verstehen. Ein Cartoon Elektronik Kurs.

Poing: Franzis Verlag

Fighiera, B.: (1983). Spaß mit Elektronik. Leichtverständliche Bauanleitungen für jedermann. München: Franzis Verlag

Häberle, G. (Hrs): (1999). Fachkunde Industrieelektronik und Informationstech-

nik. Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel Verlag Katzenmeier, H. W.: (2007). Grundlagen der Robotertechnik. Tipps und Tricks

für den Selbstbau. Aachen: Elektor Verlag Kultusministerium des Landes Nordrhein-Westfahlen (Hg): (1993). Richtlinien

und Lehrpläne für das Gymnasium – Sekundarstufe I – in Nordrhein-Westfalen. Technik.

Schnabel, P.: (2007). Elektronik-Fibel. Elektronik, Bauelemente, Schaltungs-

technik, Digitaltechnik. 4. Aufl. Ludwigsburg: Books on Demand. Seminarskript: (2009). Elektronik/Elektrotechnik. Prof. Chr. Hein. Institut für

Technik und ihre Didaktik (http://www.uni-muenster.de/Physik.TD/ elektro-technik_elektronik.html)

Seminarskript: (2009). Informationstechnik. Prof. Chr. Hein. Dr. M. Schramm.

Institut für Technik und ihre Didaktik (http://www.uni-muenster.de /Physik.TD /informationstechnik.html)

http://projektlabor.ee.tu-berlin.de/projekte/steckdose/data/referate/handout_flip-flops_gora_2006-11-08.pdf (Stand 30.5.2010)

http://www.elektronik-kompendium.de (Stand 5. 6. 2010)