Informatikohne Mikrocontroller im Informatikunterricht€¦ · Mikrocontrollerim Informatikunterricht Einstiegindie Informatik Didaktische Aspekte Informatikmittel DIDAKTIK DER INFORMATIK

Mikrocontroller imInformatikunterricht

Einstieg in dieInformatik

DidaktischeAspekte Informatikmittel

DIDAKTIKDER

INFORMATIK

Informatik ohneInformatik-systeme

InformatischeModellierung

TechnischeInformatik

MikrocontrollerAlltagsgegenstände

Definition

Eigenschaften

Varianten

UnterrichtseinsatzArgumente

Programmierung

EinordnungRealschule

Grundschule

Lernmodul

Diskussion

Literatur

2-1

Seminar 2Mikrocontroller im Informatikunterrichtmit Calliope mini als Werkzeug Frederik SteingansSeminar Didaktik der Informatik vom 23. Oktober 2017

Version: 1e95b7dStand: 02. November 2017 08:46Zuletzt bearbeitet von: Frederik SteingansLizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de – cbea

Fachgebiet Didaktik der InformatikBergische Universität Wuppertal

cbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •

https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de




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Definition

Eigenschaften

Varianten


Programmierung


Grundschule

Lernmodul

Diskussion

Literatur

2-2

Kompetenzen – Seminar 2

1 definieren Mikrocontroller und ordnen sie auf Basis dertechnischen Inforamtik ein

2 kennen verschiedene Mikrocontroller und verstehen ihreunterschiedlichen Funktionen

3 begründen den Einsatz von Calliope mini alsUnterrichtsgegenstand und Werkzeug

4 bedienen eigenständig die Arbeitsumgebung für Calliope miniund erstellen ein erstes Programm

5 kennen ausgearbeitete Unterrichtsbeispiele6 bewerten unter fachdidaktischer Perspektive die Vor- und

Nachteile, die Mikrocontroller im Unterricht erbringen können





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Definition

Eigenschaften

Varianten


Programmierung


Grundschule

Lernmodul

Diskussion

Literatur

2-3

Gliederung – Seminar 2

1 Mikrocontroller im AlltagAlltagsgegenständeDefinitionEigenschaftenVarianten

2 UnterrichtseinsatzArgumenteProgrammierung

3 EinordnungRealschuleGrundschule

4 Lernmodul

5 Diskussion





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Grundschule

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Literatur

2-4

Mikrocontroller im AlltagWir benutzen nahezu täglich und ganz selbstverständlich Dinge,die verschiedenste Arten von Mikrocontroller enthalten.

• Mobiltelefon• Fernseher• Drucker• Waschmaschine• Kraftfahrzeug• ...

Abbildung: alltägliche Gegenstände mit Mikrocontrollern





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Varianten


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Grundschule

Lernmodul

Diskussion

Literatur

2-5

Definition von Mikrocontrollern

Mikrocontroller sind Ein-Chip-Systeme (auch: System-on-a-Chip),die wie Computer aufgebaut sind. Sie bestehen daher aus:

• Prozessor• Ein- und Ausgabeeinheit• Arbeitsspeicher• Programmspeicher• weitere Schnittstellen

Zumeist basieren sie auf der Harvard-Architektur, aber auch aufder Von-Neumann-Architektur (vgl. Jesse 2014, S. 547).





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Literatur

2-6

Eigenschaften eines Mikrocontrollers

Mikrocontroller sind vollständige Informatiksysteme. Abhängig vonihrem Einsatzzweck zeichnen sie sich durch folgende Eigenschaftenaus:

• kaum Platzbedarf• geringe Taktfrequenz• wenig Arbeitsspeicher• niedriger Energiebedarf• minimale Abwärme

Aufgabe

Wählen Sie ein Gerät, das über einen Mikrocontroller verfügt undnennen Sie Eigenschaften, die ihn für dieses Gerät auszeichnen.





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Literatur

2-7

Varianten von Mikrocontrollern

Bekannte Mikrocontroller• Raspberry Pi• Arduino• Calliope mini• Micro:Bit• ...

Abbildung: B-O-B-3, Calliope mini, Arduino Uno, und Micro:Bit





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2-8

Raspberry Pi• Größe einer Chipkarte• Leistung höher als bei anderen Mikrocontrollern• Betriebssystem mit grafischer Oberfläche nutzbar• HDMI-Anschluss vorhanden• Aufgabenbereich ähnlich eines Desktop-PCs• Erweiterung durch Sensoren etc. möglich• Einschränkungen im mobilen Einsatz

Abbildung: Raspberry Pi im Vergleich mit einem Studierendenausweis





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Literatur

2-9

Arduino

• je nach Ausführungen nicht größer als ein Raspberry Pi• auf andere Systeme angewiesen• erweiterbar durch Sensoren etc.• geringer Energieverbrauch

Abbildung: Arduino Uno





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2-10

Calliope mini - 1Beruht auf dem BBC Micro:Bit, jedoch umfangreicher und speziellfür Schulen benutzerfreundlicher gestaltet.

Gemeinsamkeiten:• Knöpfe und Pins programmierbar• Kommunikation und Programmierung über Micro-USB undBluetooth

• LED-Matrix• Kompass, Beschleunigungs-, Licht- und Temperatursensor• Betrieb mit Batterie möglich

Abbildung: Micro:Bit und Calliope minicbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •




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2-11

Calliope mini - 2zusätzliche Spezifikationen von Calliope mini:

• Aufbau sternförmig und handtellergroß• Erweiterung mittels Grove-Anschluss• RGB-LED• Lautsprecher und Mikrofon• Bewegungssensor• Motoranschluss

Abbildung: Calliope minicbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •




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2-12

Argumente für Mikrocontroller im Unterricht - 1

Haben wir Ahnung von Informatiksystemen?• tägliche Bedienung von Informatiksystemen selbstverständlich• selbst Kleinkinder erlernen den Umgang mit Tablets etc.• viele Berufe erwarten Kenntnisse in »Büroanwendungen«

Anmerkung

Ein Informatiksystem bedienen zu können bedeutet nicht,aufgrund dessen seine Funktion verstanden zu haben.





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2-13

Argumente für Mikrocontroller im Unterricht - 2

• Einblick in ein Informatiksystem• Informatik wird »anfassbar«• Programmierfähigkeiten erlernen• Test von Programmen auf Mikrocontroller direkt durchführbar• Entwicklung eigener Ideen durch Schülerinnen und Schüler• Arbeit auch zu hause möglich

Abbildung: Stromkreis mit Calliope mini





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2-14

Programme erstellen für Calliope mini

• Programmierumgebungen cloudbasiert und lokal verfügbar• Programmierung mit PC, Tablet, Smartphone etc. möglich• Programme ohne grafische Oberfläche realisierbar• Steckprinzip der Editoren einfach zu erlernen• Konzept speziell für Kinder und Jugendliche entwickelt

start

zeige LEDs

zeige LEDs

zeige LEDs

zeige LEDs

zeige LEDs





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Literatur

2-15

Programme erstellen für Calliope mini

Arbeitsauftrag

Erstellen Sie ein Programm, um die Keksdose zu überwachen.Wählen Sie dafür den PXT-Editor auf der Webseite

https://calliope.cc/editor

und führen Sie es anschließend vor. Sie haben 30 Minuten Zeit.





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2-16

Einordnung im (Informatik-)UnterrichtKernlehrplan für das Wahlpflichtfach Informatik an Realschulen inNRW, erst ab der 7. Klasse vorgesehen.

Abbildung: Kompetenzbereiche und Inhaltsfelder

(vgl. MSW-NW 2015, S. 15)cbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •




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Literatur

2-17

Einordnung im (Informatik-)Unterricht

Mikrocontroller sollten aufgrund ihrer einfachen Handhabbarkeitjedoch auch viel früher eingesetzt werden.

• »Ein Unterricht zur informatischen Bildung trägt dazu bei,Informatiksysteme sachgerecht und zielgerichtet,verantwortungs- und sinnvoll einzusetzen[...]«(vgl. gi 2017,S. 7).

• »Bereits im Primarbereich werden Geschlechterstereotypeaufgebaut, die beispielsweise das Interesse von jungen Frauenan einem Beruf im weiten Feld der Informatik gegen Nullgehen lassen«(vgl. gi 2017, S. 4).





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2-18

Projekt Zimmerpflanzen pflegen

Eine weitere Möglichkeit bieten fächerübergreifende Projekte, indenen sich Schülerinnen und Schüler Wissen teilweise selbstständiganeignen. Lernmodule sollen hierbei unterstützend wirken.

Abbildung: Lernmodul mit Calliope mini

Weitere Materialien für den Informatikunterricht abrufbar unter:

https://ddi.uni-wuppertal.de/material/calliope.html





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Literatur

2-19

Diskussionsrunde

Aufgabe

Diskutieren Sie zunächst in Partnerarbeit über die folgendenFragen und stellen Sie Ihre Argumente anschließend vor.Sie haben hierfür 10 Minuten Zeit.

• Wie sehen Sie den Einsatz von Mikrocontrollern im(Informatik-) Unterricht?

• Haben diese Ihrer Ansicht nach eventuell auch Nachteile?• Sollten diese schon in der Grundschule eingeführt werden?





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Diskussion

Literatur

2-20

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!





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Literatur

2-21

Literatur für das Seminar I

gi (2017). Kompetenzen für informatische Bildung imPrimarbereich. Erarbeitet vom Arbeitskreis »BildungsstandardsInformatik im Primarbereich« – am 13. September 2017verabschiedet vom Fachausschuss Informatische Bildung inSchulen (FA IBS) der Gesellschaft für Informatik (gi) e. V. url:http://metager.to/gibsppdf (besucht am 08. 10. 2017).

Jesse, Ralf (2014). »ARM Cortex-M3 Mikrocontroller : Einstiegund Praxis«. In: 1. Aufl. Heidelberg ; München ; Landsberg ;Frechen ; Hamburg: mitp, S. 547.

MSW-NW (2015). Kernlehrplan für die Realschule inNordrhein-Westfalen – Wahlpflichtfach Informatik. Heft 33191.url: http://metager.to/1mawu (besucht am 20. 05. 2017).

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