Fahrzeug…
Dass es Grundschüler*innen ab Klassenstufe 3 gelingt, Mikrocontroller zu programmieren, kann als gesichert angesehen werden. Es ist aber herausfordernd, so ein Tun sinnvoll in den Unterricht zu integrieren. Grundschullehrpläne sind da nur wenig hilfreich.
Für eine erste Orientierung kann ein mehrfach erprobtes, am Sachkundeunterricht orientiertes Fahrzeug-Projekt sein. Es findet sich hier.
In dem Projekt werden relativ teure Calliope minis (ca. 40 € pro Stück) als Mikrocontroller eingesetzt. Das macht die Sache kostenintensiv und hält damit möglicherweise Lehrkräfte von einer Erprobung ab.
Mit dem Nachbau eines Arduino-Mikrocontrollers (~ 5 €) kann viel Geld gespart werden.
in der Abbildung unten ist zusammengetragen wie das Fahrzeug mit einem Arduino Nano realisiert werden kann und welche Bauteile (Bezugsquelle) dafür benötigt werden (ohne Tragbrettchen, Tischtennisballhälfte o. ä. und Heißkleber).
Für ein programmierbares Fahrzeug werden die unten gezeigten Teile benötigt mit Gesamtkosten von etwa 15 €. Mit Heißkleber können sie leicht auf dem Tragbrettchen befestigt werden.
In der Folge muss geklärt werden, wie die elektrischen Verbindungen hergestellt werden können. Zur Wahl stehen Drahtbrücken oder Jumperkabel.
Drahtbrücken machen sichere Verbindungen, müssen aber in der Länge angepasst werden. Jumperkabel dagegen sind einfach und schnell gesteckt, lösen sich aber leicht aus den Kontakten oder die Drahtenden brechen ab, wenn sie beim Hantieren des Fahrzeugs mehrfach umgeknickt werden.
Um sich die Sache besser vorstellen zu können, zeigt die nachfolgende Abbildung die beiden Aufbauvarianten fertig verdrahtet mit Batterie und Motoren.
Für den Nachbau findet sich unten eine genaue Vorlage für die Verdrahtung.
Die weitere Zeichnung erhellt die Stromführung im Innern des Breadboards.
Die von außen sichtbaren Löcher, in die die Drahtenden gesteckt werden, sind durch Kontaktbleche auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden: Die Zeichnung oben soll diesem Verständnis dienen.
Links ist zu sehen, dass die Bleche unterseits von einem doppelseitigen Klebeband verdeckt sind. Der gebogene Pfeil deutet an, dass die Bleche herausgelöst werden können. Wie sie angeordnet sind, zeigt die mittige Zeichnung: Vier lange an den Seiten des Breadbords angeordnete Bleche verbinden die vier Lochreihen in Längsrichtung. Quer dazu verbinden relativ kurze Bleche immer 5 Löcher miteinander.
Mit diesem Wissen kann nachvollzogen werden, dass sowohl beim Nano als auch beim Motorentreiber die beiden Anschlussleisten links und rechts elektrisch voneinander getrennt sind. Auf beiden Seiten können so eine oder mehrere Anschlüsse mit dem gleichen Kontakt verbunden werden.
… programmieren
Der Arduino wird textuell in einem für diesen Zweck vorgehaltenen Editor programmiert. Dieser ähnelt einer Textverarbeitung, unterscheidet sich aber auch von ihr:
Den oben links angezeigten Text erhalten die Schüler*innen in digitaler Form. Aufgabe ist, ihn durch „Copy & Paste“ in die Arduino IDE einzufügen. Dabei sind sowohl das Kopierverfahren bedeutsam als auch der Umstand, dass die IDE Text analysiert und beispielsweise darin enthaltenen Code farbig hervorhebt.
Copy & Paste soll damit als Verfahren nutzbar werden, um Programme zu erstellen, insbesondere solche, die – wie die Abbildung rechts zeigt – überwiegend aus mehrfach wiederholten Befehlen bestehen.
Es muss aber auch nachvollzogen werden, dass die Motoren über die Pins 11, 10, 9 und 6 am Arduino angesteuert werden. Pin 11 und 10 dienen dem einen, Pin 9 und 6 dem anderen Motor. Das Programm rechts zeigt eine einfache Befehlsfolge, die ein Fahrzeug zwei Sekunden lang geradeaus fahren, kreiseln und schließlich stoppen lässt. In der IDE sieht das Programm wie folgt aus:
Um das Programm auf den Mikrocontroller zu übertragen, muss – wie die Abbildung unten zeigt – eine Verbindung zwischen dem Rechner, auf dem die IDE läuft, und dem Mikrocontroller hergestellt werden. Dazu dient ein USB-Kabel.
Steht die Verbindung, genügt ein Klick auf den Pfeil in der Kopfzeile der IDE.
Wenn alles erfolgreich verläuft, wird auf dem Nano nach kurzer Zeit neben der LED zur Betriebsanzeige eine weitere im Sekundentakt blinken.
Achtung! Ist die Batterie bereits angeschlossen, wird sich das Fahrzeug sofort nach Übertragung des Codes in Bewegung setzen.
Um die Fahrzeugbewegungen im Detail nachvollziehen zu können, muss der Programmcode analysiert werden:
- Was bewirkt welcher Befehl in der Fahrzeugelektrik?
- Wie reagieren die Motoren darauf?
- Welche Folgen hat das für die Bewegung des Fahrzeugs?
Danach kann das Verständnis mit gezielte Aufgaben vertieft werden, zum Beispiel: Das Fahrzeug soll 3 Sekunden geradeaus fahren, dann …
- … umkehren und am Startpunkt stoppen.
- … nach rechts abbiegen, nach 1 Sekunde stoppen, umkehren, den gleichen Weg bis zum Startpunkt zurückfahren und dort stoppen.
- …
Wichtig in dieser Anfangsphase ist, dass zur Lösung nur die oben benutzten Befehle gebraucht werden. Sie werden per Copy & Paste zu einer Folge zusammengestellt und die Zahlen den Erfordernissen angepasst. Das Wissen um „Shortcuts“ (siehe unten) ist dabei hilfreich.
