Curriculum. Mikrocontroller macht Schule

Gemäß dem baden-württembergischen Bildungsplan für das Fach NwT (Naturwissenschaft und Technik) sollen Schülerinnen und Schüler das systemische Denken und Arbeiten erlernen. Das Curriculum von letsgoING vermittelt diese Kompetenzen und betont dabei das T von MINT und NwT. Der Standard-Kurs ist am Bildungsplan NwT der 9. bzw. 10. Klasse ausgerichtet und umfasst ein Schulhalbjahr.

Das letsgoING-Curriculum besteht aus einer Grundlagenphase, einer Projektphase und einer Reflexionsphase. Alle drei Phasen werden durch ein Online-Lerntool begleitet. Ergänzend dazu gibt es eine Lehrerhandreiche.

Grundlagen

Die Grundlagenphase dient der Qualifizierung. Hier machen sich die Schülerinnen und Schüler mit grundlegenden Algorithmen, der Hardware und dem Troubleshooting vertraut. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in Zweierteams. Jedes Team arbeitet in seinem Tempo. Die Grundlagenphase kann durch vertiefende Unterrichtseinheiten ergänzt werden.

Projekt

In der Projektphase müssen die Schülerinnen und Schüler selbstständig ein kleines Projekt planen und realisieren. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten hierbei mit vereinfachten Datenblätter. In mehreren Arbeitsschritten werden anschließend Teilsysteme und später die gesamte Projektaufgabe aufgebaut, getestet und dokumentiert. Die Projekte sind skalierbar, sodass sie entsprechend dem Knowhow nach Umfang und Schwierigkeitsgrad angepasst werden können.

Reflexion

Die Reflexionsphase dient dazu, das Gelernte im gesellschaftlichen Kontext einzuordnen und mit aktuellen Entwicklungen zu vergleichen.

Unterrichtsbegleitung

Eine Lehrerhandreiche unterstützt den Lehrer bei der Durchführung des Kurses. Der Aufbau des Curriculums und das Ineinandergreifen der verschiedenen Bausteine wird erläutert. Die Lehrer erhalten didaktische Tipps zum Setting und Hinweise, wie die Tutoren in den unterschiedlichen Unterrichtssituationen ihre Arbeit unterstützen können.
In der Handreiche findet man außerdem Anregungen und Informationen zu vertiefenden Unterrichtseinheiten, technisches Hintergrundwissen und Ansätze zur interdisziplinären Nutzung der Materialien. Auch Lösungsvorschläge für Übungen sowie Anregungen für Klausuraufgaben sind vorhanden.

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Lehre. lernen und weiterbilden

Das letsgoING-Konzept umfasst die für den Kurs benötigte Ausbildung angehender Lehrer (Lehramtsstudierende und Referendare) sowie die Weiterbildung bereits unterrichtender Lehrer.

letsgoING lässt die Lehrer nicht alleine. Und das ist durchaus wörtlich gemeint. Bei der Einführung des Kurses in den Unterricht werden die Lehrer von Tutoren unterstützt. Als Tutoren kommen dabei sowohl Lehramtsstudierende als auch studierende technischer Studiengänge zum Einsatz.

Ausgangspunkt

Die Mikrocontroller-Technologie ist so komplex, dass eine Aus- und Weiterbildung für Lehrer nicht einfach nebenbei funktioniert. Eine Ausbildung der Fachlehrer in Form von klassischen Weiterbildungskursen ist nur sehr bedingt möglich. Entweder sind die Kurse zu umfangreich (so viel Fortbildungszeit hat ein Fachlehrer nicht) oder zu kurz (es fehlt Routine für den Unterricht). Die Folge ist, dass sich viel zu wenige Lehrer auf das Abenteuer Mikrocontroller bzw. Embedded Systems einlassen.

Ansatz

Das Erfolgskonzept besteht nun darin, Lehrer und Studierende zusammenzubringen. Lehrer, die sich auf das Thema einlassen, erhalten die Zusage, dass ein Tutor sie bei der Einführung der Materie unterstützt. Im Unterricht kommen genau die Materialien zum Einsatz, auf denen man gelernt hat: Es steht somit ein erprobtes Curriculum zur Verfügung.

Umsetzung

Die Ausbildung erfolgt in Workshops mit anschließendem "training on the job". Die Lehrer und Tutoren arbeiten sich in die Grundlagen der Mikrocontrollertechnik ein. Sie lernen Hard- und Software kennen und erhalten pädagogisch didaktische Tipps für ihren Unterricht. Vor allem aber lernen sie das ingenieurmäßige Denken in Systemen und Prozessen kennen.

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Hardware. modular und fehlertolerant

Die bei letsgoING verwendete Hardware besteht aus dem Mikrocontroller-Board Arduino UNO und unseren speziell für den Unterricht entwickelten Hardware-Modulen. Die Hardware-Module stellen Sensoren, Aktoren und weitere Schnittstellen bereit.

Im Gegensatz zu den meisten Konzepten verzichten wir auf eine "All-In-One"-Platine und setzten statt dessen auf einen gänzlich offenen und modularen Aufbau.

Der Vorteil von solchen „All-In-One“-Boards ist auch deren Nachteil: Alles ist auf einem Board, wodurch die Zusammenhänge zwischen den Komponenten nicht nachvollziehbar und Verdrahtungsfehler ausgeschlossen sind.

Mikrocontroller und Module

letsgoING setzt auf ein eigenes, speziell für den Einsatz im Unterricht entwickeltes Hardware-System. Die Basis unserer Hardware bildet das Arduino Uno Mikrocontroller-Board. Dieses Board zeichnet sich durch seine hohe Verfügbarkeit, seine Robustheit sowie die breite Unterstützung durch eine sehr große Maker-Community aus.

An das Arduino-Board werden die letsgoING-Hardwaremodule angeschlossen. Die Hardware-Module stellen Sensoren, Aktoren und weitere Schnittstellen bereit. Jedes Modul hat nur eine einzige Funktionalität. So kann klar nachvollzogen werden, welches Modul welche Aufgabe und Schnittstellen hat.

Lernprinzip

Dass etwas nicht gleich funktioniert, ist bei komplexen Systemen eher die Regel als die Ausnahme. Daher sind die letsgoING-Module auch kein Plug&Play –System. Die Schülerinnen und Schüler können und sollen Fehler machen, diese suchen und finden. Nur so kann man nachhaltig lernen.

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Software. einfach Programmieren lernen

Um das Hauptaugenmerk auf das Erlernen der Programmierung zu legen, setzen wir auf eine grafische Programmierung. Damit wird die Denk- und Arbeitsweise erlernt und die Einstiegshürden textbasierter Programmierung werden umgangen.

Unsere Entwicklungsumgebung ArduBlock baut auf der Arduino IDE auf. Dadurch ist die Software unabhängig von Betriebssystemen und kann direkt von unserem USB-Stick aus eingesetzt werden.

ArduBlock

Als Entwicklungsumgebung verwenden wir die grafische Programmieroberfläche ArduBlock. Diese baut auf der Arduino-Entwicklungsumgebung auf. Dadurch ist die Software unabhängig von Betriebssystemen und kann direkt von unserem USB-Stick aus eingesetzt werden. Beide Programme sind Open-Source-lizensiert und frei verfügbar.

Grafische Programmierung

Die Vorteile einer grafischen Programmieroberfläche liegen auf der Hand. Die Schüler müssen sich nicht mit Semikolons, Klammern, Syntax etc. herumschlagen. Durch den Fokus auf das algorithmische Denken wird ein von der Programmiersprache und dem eingesetzten Lernsystem unabhängiges Wissen geschaffen.

Bei der Verwendung von ArduBlock können Programmblöcke wie Puzzleteile per Mausklick aneinandergehängt werden. Nur die syntaktisch passenden Blöcke lassen sich miteinander verbinden. Dadurch wird der Fokus auf den zu entwickelnden Algorithmus gelenkt und die harte Unterscheidung von verschiedenen Datentypen wird vermittelt.

Jeder eingesetzte Block entspricht weitestgehend seinem Code-Equivalent. Aus den Blöcken wird, beim Übertragen auf das Arduino-Board, der C++-Code automatisch im Hintergrund generiert. So kann man, je nach Interesse und Know-How, auch leicht zur textbasierten Programmierung wechseln.

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Anmerkung:
Eine grafische Programmoberfläche zu nutzen bedeutet nicht, dass man nicht wirklich programmiert.
„Code hacken“ ist eine Kompetenz, die nicht mit „Programmieren“ verwechselt werden sollte!

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Simulator. online ausprobieren

Hier in unserem Simulator können vorgefertigte Programme auf einen simulierten Mikrocontroller geladen und ausprobiert werden. Dazu zieht man einfach eines der unten liegenden Programme in die graue Box und drückt auf den Taster "Programm laden". Schon wird das Programm ausgeführt und eine Beschreibung der Funktion angezeigt.

Programmbeschreibung: kein Programm geladen.

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Projekt. Entwicklung und Verfügbarkeit

Das Projekt wird in Kooperation mit unseren Lehrkräften und Fachberatern permanent weiterentwickelt und erweitert. Durch die Ansiedelung des Projekts an der Hochschule Reutlingen im Studiengang Mechatronik findet diese Weiterentwicklung immer parallel zur neuesten technischen Entwicklung statt.

Hinter dem letsgoING-Projekt stehen keinerlei kommerzielle Interessen. Im Gegenteil:
Um dieses Konzept möglichst vielen zugänglich zu machen, sind alle eingesetzten Materialien und Komponenten Open-Source lizensiert.

Entwicklung Curriculum

Sowohl unsere Hard- und Software als auch das entwickelte Curriculum und die zugehörigen Schulungen sind in enger Zusammenarbeit mit unseren Kooperationspartnern entstanden. Grundsätzliche Anforderungen und Konzepte wurden mit den NWT-Fachberatern der Landkreise Reutlingen und Tübingen abgestimmt. Die Unterrichtsmaterialien und Schulungen wurden und werden in Zusammenarbeit mit unseren Kooperationslehrern und den teilnehmenden Lehramtsstudierenden in einem ständigen Entwicklungsprozess getestet und optimiert.

Entwicklung Technologie

Die technologische Weiterentwicklung des Projekts erfolgt an der Hochschule Reutlingen. Die Mitarbeiter werden dabei durch Mechatronik-Studierende mittels Labor- und Abschlussarbeiten unterstützt. So wird ermöglicht, dass technische und soziotechnische Inhalte immer am Puls der Zeit sind.

Verfügbarkeit

Die letsgoING-Kooperationspartner werden mit allen benötigten Lehrmaterialien ausgerüstet. Die Materialien sind aber auch für andere verfügbar. Jeder darf die Lehrmaterialien für den eigenen Gebrauch, aber auch für den Unterricht und für (nicht kommerzielle) Weiterbildungen verwenden. Falls Auszüge aus unseren Materialien verwendet werden sollen, muss hier lediglich unser Projekt als Quelle genannt werden.
Bei Interesse stellen wir diese gerne zur Verfügung. Nehmen Sie dazu einfach Kontakt zu uns auf.

Unsere Lehrmaterialien sind nach Creative-Common Open-Source-lizensiert (CC BY-NC-ND 4.0).
Unsere Programmieroberfläche ist nach GNU GPL ebenfalls Open-Source-lizensiert (GNU GPLv3).

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Partner. Kooperation und Förderung

Das letsgoING-Projekt lebt von seinen Partnern. Um Bildungspartnerschaften mit noch mehr Schulen eingehen zu können, bedarf es an weiteren Partnern im Bereich der Aus- und Weiterbildung. Der Kontakt zu neuen potentiellen Kooperationspartnern wie Hochschulen und anderen Bildungseinrichtungen ist daher sehr willkommen.

Im weiteren finden sich alle Kooperationspartner, Unterstützer und Förderer.

Hochschule Reutlingen. Projektstandort

Das letsgoING-Projekt ist an der Hochschule Reutlingen im Studiengang Mechatronik der Fakultät Technik angesiedelt.
Die Hochschule stellt die Räumlichkeiten und Infrastruktur zur Verfügung. Die Studierenden des Studiengangs Mechatronik werden als Tutoren an den Schulen eingesetzt und helfen in Projekten und Thesis-Arbeiten das Projekt ständig weiterzuentwickeln.

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Vector Stiftung.Projektförderung

Das letsgoING-Projekt wird von der Vector Stiftung Stuttgart seit 2013 gefördert.
Mittlerweile läuft das Projekt in der zweiten Phase.
Die Stiftung stellt die gesamten Mittel für Personal, Entwicklung und die Schulmaterialien.

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VDE. Empfehlung

Das letsgoING-Projekt wird vom Ausschuss „Studium, Beruf und Gesellschaft” des VDE empfohlen.
"Aus Sicht des VDE-Ausschusses „Studium, Beruf und Gesellschaft“ ist das vorliegende Konzept bisher alleinstehend in seiner umfassenden Art und besonders geeignet, junge Menschen für Technik zu begeistern."

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Universität Tübingen. Kooperation Lehrerausbildung

Seit 2016 kooperiert das letsgoING-Projekt mit der in der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät angesiedelten Lehrerausbildung der Universität Tübingen.
Im Rahmen eines Pilotprojekts werden Lehramtsstudierende des Studiengangs Physik für das Lehramt zu Tutoren ausgebildet und begleiten anschließend den NwT-Unterricht unserer Kooperationsschulen für ein Schulhalbjahr.

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Kontakt.

Interesse an unserem Projekt geweckt?
Fragen zu an unseren Materialien?
Kooperation erwünscht?

Ganz gleich ob Sie einfach nur interessiert sind, Fragen haben, weitere Informationen benötigen oder mit uns zusammen arbeiten wollen:
Kontaktieren Sie uns einfach...

SMack

Prof. Dr. Stefan Mack

Projektleitung

Tel. +49 7121 271 7070
Info(at)letsgoING.de

ABuehler

Anian Bühler M.Sc.

Projektkoordination

Tel. +49 7121 271 7043
Info(at)letsgoING.de

MHerrmann

Dipl.Päd. Dipl.Ing. Michael Herrmann

Projektkoordination

Tel. +49 7121 271 7057
Info(at)letsgoING.de