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Interactive Greenhouse

Jahrgangsstufe

Anfangsunterricht in der Sek I

informatischer Inhalt

Struktogramme

Baukasten

My Interactive Garden

Materialkosten

ca. €50 für das Model und €15 für das Herbarium


Das Interactive Greenhouse ist ein Projekt für Schüler und Schülerinnen der Sekundarstufe I, um einen ansprechenden Einstieg in das Fach Informatik, im Speziellen in die Programmierung zu erhalten. Während die Schüler und Schülerinnen Schritt für Schritt in die Programmierung mittels Struktogrammen eingeführt werden, bauen sie ihr eigenes interaktives Gewächshaus. Dieses interagiert mittels verschiedener Komponenten wie Thermometern, Infrarotsensoren, Motoren und LEDs über das Arduinoboard, welches man über die Entwicklungsumgebung Scratch for Arduino (kurz S4A) steuert.


Konzept Bearbeiten

Das Konzept des Projektes beruht auf zwei Grundlagen, des Konstruktionismus und, dass Kreativität Motivation fördert.

Der Konstruktionismus ist eine Lerntheorie, welche, ähnlich der Konstruktivismusidee, davon ausgeht, dass Wissen durch die Lernenden selbst aufgebaut werden muss. Außerdem gilt die Herstellung von Artefakte, zum Beispiel den Bau eines Gewächshauses, als besonders lernfördernd. Man geht davon aus, dass sich parallel zur Kontruktion des Artefakts auch das neue Wissen aufbaut und dass der Lernende besonders gut lernt, wenn er oder sie ein persönliches Interesse am Objekt hat. Zudem kann ein abstrakter Lerninhalt wie der des Programmierens dadurch "fassbarer" werden.

Die Ansicht, dass ein selbsterschaffenes Objekt lernfördernd wirkt teilt auch das zweite Konzept. Darin geht man davon aus, dass die Einbindung der Kreativität der Schüler und Schülerinnen einen entscheidenden positiven Einfluss auf die Motivation dieser hat. Gerade im Fach Informatik ist es oft schwer alle Schüler für ein Thema zu begeistern, da die Schüler und Schülerinnen durch kreative Eigenleistung das Projekt stark für sich persönlich zuschneiden, ist die Wahrscheinlichkeit deutlich höher alle für das Thema zu motivieren. Mit der Aufgabenstellung ein Gewächshaus zu konstruieren oder zu erweitern haben die Schüler und Schülerinnen genügend Freiraum die Aufgabe so umzusetzen, dass sie ihren persönlichen Vorlieben; dennoch ist ein grober Rahmen gesteckt, so dass das Projekt nicht ausufern kann.


Informatische Grundlagen Bearbeiten

Das Struktorgramm wurden in den 1970er Jahren von Isaac Nassi und Ben Shneidermann entwickelt (deswegen nennt man es auch Nassi-Shneidermann-Diagramm), um die zunehmend komplexer und unübersichtlicher werdenden Programme strukturiert, auf Papier, darzustellen.

Heutzutage werden diese in der professionellen Programmierung zwar nicht mehr verwandt, allerdings sind sie sehr gut geeignet, um mit Schülern und Schülerinnen den Aufbau logischer Abläufe zu trainieren. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass Struktogramme unabhängig von der Semantik und Syntax eines Programms sind. Ähnlich wie bei Baukasten Programmierumgebungen kann Schülern und Schülerinnen daher die Angst vor der eventuell abschreckenden Programmiersprache genommen werden.

Es gibt mehrere Strukturblöcke:

  • Sequenz (Linearer Ablauf)
  • Alternativen (Verzweigung)
    • Einfache Verzweigung
    • Zweifache Verzweigung
    • Verschachtelte Verzweigung
    • Fallauswahl
  • Iterationen (Wiederholungen)
    • Zählergesteuerte Schleifen
    • Abweisende (vorgeprüfte) Schleifen
    • Nicht abweisende (nachgeprüfte) Schleifen
    • Endlosschleifen
  • Aussprung
  • Aufruf

Bemerkung:

Nicht alle diese Strukturblöcke sind in S4A als Baustein vorhanden. Da man aber bis auf den Aussprung alle fehlenden Kontrollstrukturen mithilfe der anderen darstellen kann (nur teilweise sehr viel aufwändiger), soll im Projekt darauf verzichtet werden die fehlenden zu behandeln. Letztlich dient das Projekt nur der Einführung, sollten die Schüler und Schülerinnen das Fach Informatik im Anschluss belegen, so kann man die fehlenden Strukturen immer noch behandeln.

Im Folgenden werden nun alle Strukturblöcke nach DIN 66261 dargestellt, kurz erklärt und der entsprechenden S4A Block dargestellt:

Lineare Strukturen sind Anweisungen, die schlicht nacheinander ausgeführt werden. Leere Anweisungen sind außer in Verzweigungen nicht zulässig.
Linearer Ablauf
Anweisungen
Einfache Verzweigungen durchlaufen

Anweisungsblock 1 nur, wenn die Bedingung wahr ist, andernfalls wird zum nächsten Block übergegangen. Im Anweisungsblock 1 müssen nicht zwangsläufig nur Anweisungen stehen.

Einfache Verzweigung
If
Zweifache Verzweigungen führen

Anweisungsblock 1 aus, wenn die Bedingung wahr ist und Anweisungsblock 2 falls sie falsch ist. Im Anweisungsblock 1 bzw. 2 müssen nicht zwangsläufig nur Anweisungen stehen.

Alternative Verzweigung
Ifelse
Verschachtelte Verzweigungen sind genau

der Fall, dass in den Anweisungsblöcken 1 und 2 nicht nur Anweisungen stehen, sondern eine weitere Kontrollstruktur, eine weitere Verzweigung.

Verschachtelte Verzweigung
Ifelseifelse
Für die Fallauswahl gibt es in S4A keinen Baustein.
Fallauswahl
Zählergesteuerte Schleifen werden verwendet um einen bestimmten Programmteil zu wiederholen, wie häufig steht dabei schon zum Zeitpunkt des Programmierens fest und kann daher als Zahl angegeben werden.
Zaehlschleife
Repeat10
Vorgeprüfte Schleifen verwendet man,

wenn der Programmierer nicht vor vornherein weiß (oder es zu umständlich wäre dies zu ermitteln), wie häufig die Schleife wiederholt werden soll, dann wird am Anfang eine Bedingung geprüft und nur wenn diese gilt wird der Schleifenrumpf (Anweisungsblock 1) ausgeführt.

Vorgeprueft
For
Für die nachgeprüfte Schleife gibt es in S4A keinen Baustein.
Nichtabweisend
Eine Endlosschleife wird benutzt wenn der Schleifenrumpf endlos wiederholt werden, z.B. bei einer Abfrage.
Endlos
Forever
Für den Aussprung gibt es in S4A keinen Baustein.
Break
Für den Aufruf gibt es in S4A keinen Baustein.
Aufruf


Voraussetzungen und Kompetenzen Bearbeiten

Voraussetzungen: Bearbeiten

Da das Projekt für den Anfangsunterricht konzipiert wurde, sind keine Vorkenntnisse von Nöten.

Kompetenzen: Bearbeiten

Die Schülerinnen und Schüler können…

  • vorgegebene Struktogramme analysieren und sie in S4A „nachbauen“.
  • stichpunktartig beschreiben, was die behandelten Kontrollstrukturen/Struktogramme bewirken.
  • ihr Produkt anschaulich darstellen.
  • ihr Projekt und ihre Vorgehensweise erklären.
  • eigene Programme mit S4A schreiben.
  • Problemstellungen formulieren.
  • mithilfe von Struktogrammen einen Algorithmus implementieren.
  • die behandelten Strukturblöcke benennen.
  • ihre Programme selbstständig überprüfen.

Fundierung mit Bildungsstandards: Bearbeiten

Kompetenzbereich Fachwissen: Bearbeiten

Die Schülerinnen und Schüler...

  • erstellen kleine Programme unter Benutzung vorgegebener Baustein
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung: Bearbeiten

Die Schülerinnen und Schüler...

  • lesen Benutzerdokumentationen (Handbücher) von Software und schreiben solche für von ihnen selbst erstellte Systeme.
  • lesen Programmdokumentation (Schnittstellenbeschreibungen) und erarbeiten sich so den Leistungsumfang und die Gebrauchskompetenz für vorgefertigte Module; sie dokumentieren die Schnittstellen ihrer eigenen Arbeiten in gleicher Weise.
  • analysieren eigene Arbeiten im Einsatz, gewinnen Erkenntnisse über deren Auswirkungen und dokumentieren diese.
  • erkennen verschiedene Typen, Ursachen und Auswirkungen von Fehlern in eigenen Programmen.
  • erfahren die extreme Begrenztheit der „Verständnisfähigkeit“ der Maschine beim Entwurf und Test eigener Problemlösungen.
  • erwerben beim Bearbeiten von Softwareprojekten in angemessenem Umfang Kenntnisse über Analyse- und Modellierungsverfahren sowie Projektmanagement.
Kompetenzbereich Kommunikation: Bearbeiten

Die Schülerinnen und Schüler...

  • helfen einander im konkreten Umgang mit der verwendeten Software.
  • verabreden Teilergebnisse gemeinschaftlicher Arbeit.
  • präsentieren und diskutieren Gruppenergebnisse.

Baumaterial Bearbeiten

  • 20140904 182917
    Balsaholzplatten
  • Balsaholzstäbe
  • Holzstäbe
  • Acrylfarbe, Pinsel und Wasserglas
  • 20140904 183035
    durchsichtige Folie
  • Modelliermasse
  • Nadel und Faden
  • Klebstoff/Heißklebepistole
  • dünner Wasserschlauch
  • Plastikflasche
  • Draht
  • Perlen
  • Schere, Cuttermesser, Geodreieck
  • Schwamm
  • Zimmerbrunnenpumpe
  • "Lichtschalter"
  • Scharniere
  • Klebefilm

Baukasten:

My interactive Garden

Vorbereitung Bearbeiten

Das Projekt bedarf für den betreuenden Lehrer recht geringer Vorbereitung. Es sollte lediglich sichergestellt werden, dass genügend Baukästen, Baumaterialien und Kopien der Arbeitsblätter vorhanden sind, sowie dass auf allen Rechnern S4A installiert ist.

Durchführung Bearbeiten

Das Projekt soll in erster Linie selbstständig von den Schülerinnen und Schülern durchgeführt werden, der Lehrer bzw. die Lehrerin gibt nur Hilfestellung, falls die Schüler und Schülerinnen nicht mehr weiterkommen.

Das "Herbarium" ist die eigentliche Informationsquelle. Darin befinden sich am Anfang die Aufgabenstellung und eine kurze Einführung, so wie Kapitel für Kapitel die einzelnen Erklärungen für die verschiedenen Strukturblöcke, samt Arbeitsaufträgen und Hinweisen zur Nutzung des Baukastens.

Aufgabe ist es, ein Gewächshaus zu konstruieren, welches mit seiner Umwelt mittels eines Arduinoboards interagiert. Um die nötigen Kenntnisse für die Umsetzung zu erwerben müssen die Schülerinnen und Schüler das Herbarium durcharbeiten. In den einzelnen Kapiteln des Herbariums befinden Erklärungen und Arbeitsaufträge zu allen Struktogramme, welche in S4A als fertiges Baukastenelement zur Verfügung stehen. Nebenbei wird zudem in den richtigen Umgang mit dem Board und seinen Komponenten eingeführt.

Während die Schüler und Schülerinnen das Herbarium bearbeiten, sollen sie sich ein eigenes entwerfen, in dem dann alle Inhalte zusammengefasst werden, und welches sie behalten können. Für die eigenen Herbarien werden die Seiten aus dem Original kopiert. Die Schüler und Schülerinnen müssen sich die Seiten zurechtschneiden und in ihr Hebarium kleben sowie die Arbeitsaufträge darin bearbeiten. Zusätzlich können die Schüler und Schülerinnen das Herbarium durch eigenen Zeichnungen etc. weiter Individualisieren.

Wurde das Herbarium erfolgreich durchgearbeitet kann die eigentliche Arbeit am Gewächshaus beginnen. Dafür steht ein großer Vorrat an Baumaterialien, sowie ein eigener Baukasten für jede Schülergruppe zur Verfügung. Die Schüler sollen ihrer Kreativität freien Lauf lassen und nach Möglichkeit keine reine Kopie des Prototypens nachbauen. Sollten die Schüler und Schülerin Baumaterial benötigen, welches nicht unter dem bereitgestellten zu finden ist, können sie den Lehrer bzw. die Lehrerin fragen, ob man dieses besorgen könnte. Der Lehrer bzw. die Lehrerin muss dann abwägen, welche Möglichkeiten er hat an dieses Material zu gelangen. Daher sollten sich die Schüler und Schülerinnen frühzeitig, was sie genau bauen möchten und welche Materialien sie benötigen.

Die Projekte sollen jeweils in Gruppen á 2 Personen (max. 3 Personen bei einer ungeraden Anzahl an Schülern und Schülerinnen) durchgeführt werden. Damit nicht alle Schüler und Schülerinnen gleichzeitig das Herbarium benötigen, bzw. der Lehrer bzw. die Leherin Fragen individuell klären kann, ist es sinnvoll die Schülergruppen zeitversetzt am Projekt arbeiten zu lassen. Dass heißt, die Gruppen kommen im Abstand von 20-30 Minuten, so dass sich jede Gruppe zumindest anfangs mit unterschiedlichen Seiten des Herbariums befassen kann. Dieses Seiten können notfalls auch vorsichtig vom Lehrer herausgenommen werden, so dass die Schülergruppen das Herbarium unter sich aufteilen können. Eine unterschiedliche Reihenfolge der Bearbeitung der Kapitel ist allerdings nicht anzuraten, da die einzelnen Kapitel größtenteils aufeinander aufbauen.

Das fertige Gewächshaus soll abschließend präsentiert werden, dies kann vor der Klasse geschehen, besser wäre jedoch, wenn man die Projekte zusätzlich z.B. am Tag der offenen Tür der Schule, an einem Wissenschaftstag oder aber einfach am Ende der Projektwoche der ganzen Schule präsentieren kann.

Das Projekt kann in unterschiedlichen Varianten durchgeführt werden, wie lange die Schüler und Schüler insgesamt dafür brauchen hängt individuell am Leistungsniveau der Schüler ab.

Das Projekt kann

  • im Unterricht durchgeführt werden, dafür wäre es allerdings sinnvoll wenn die Schüler und Schülerinnen eine Doppelstunde zur Verfügung gestellt bekommen, um nicht zu viel Zeit mit dem Auf- und Abbau zu verschwenden.
  • innerhalb einer Projektwoche durchgeführt werden. Dabei muss der Lehrer bzw. die Lehrerin sich allerdings im Vorfeld überlegen, ob die Gruppe gut genug ist, das Projekt in einer Woche (bzw. der Zeitraum, der zur Verfügung steht) zu bearbeiten. Außerdem ist es dann für den Lehrer schwerer Material zu besorgen, welches zusätzlich von den Schülern benötigt wird.
  • in einer AG durchgeführt werden. Der große Vorteil wäre, dass sich das Projekt nicht zwangläufig an eine Klassenstufe richten muss.

Arbeitsmaterialien Bearbeiten

Prototyp Bearbeiten

Der Prototyp stellt ein Gewächshaus im gotisch/englischen Stil dar und hat mehrer Möglichkeiten mit der Umwelt zu interagieren:

  • Öffnen des Daches zum Durchlüften bei zu großer Hitzeentwicklung im Innerin
  • Automatische Bewässerung mit variierbaren Bewässerungszeiträumen
  • Kronleuchter, der über einen Schalter bedient wird
  • Nachfüllanzeige für den Wasserbehälter

Öffnen des Daches zum Durchlüften bei größer Hitzeentwicklung Bearbeiten

Dachkonst
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Das Dach des Gewächshauses ist so konstruiert, dass es nur an zwei Außenwänden befestigt ist, diese Befestigung ist zudem flexibel. Dadurch kann man, indem man jeweils nur die unteren Kanten des Daches zusammen zieht, das Dach öffnen.

Das Zusammenziehen der Kanten wurde umgesetzt, indem ein Faden, der an den hinteren, unteren Ecken des Daches befestigt ist, mit einem Motor, auf eine Spule gezogen wird und dadurch die Kanten zusammenzieht. Wird der Faden wieder abgespult, fallen auch dich Dachhälften in ihre ursprünglich Position zurück. Zur Sicherheit wurde aber auch hier ein Faden an den oberen Kanten befestigt, der mit der entgegengesetzten Rotation des Motors die oberen Kanten zusammenzieht.

Aktiviert wird das Dach durch ein Thermometer, welches ab einer bestimmten Temperatur den Motor aktiviert, so dass dieser für eine bestimmte Zeit in die eine Richtung rotiert. Unterschreitet die Temperatur einen gewissen Wert (dieser liegt einige Grad unter dem Wert zum Öffnen, damit das Dach nicht ständig auf und zu geht), rotiert der Motor für die gleiche Zeit in die andere Richtung.

Benötigte Materialen aus dem Baukasten:

  • ein Motor
  • ein Thermometer

Automatische Bewässerung mit variierbaren Bewässerungszeiträumen Bearbeiten

Die Pflanze im Gewächshaus kann automatisch bewässert werden. Dazu wird Wasser aus einer Wasserflasche über eine Pumpe, welche mit einem dünnen Wasserschläuchen verbunden ist, in den Blumentopf geleitet. Die Pumpe ist eine handelsübliche Zimmerbrunnenpumpe. Diese wird bedient, indem ein eingebauter Schalter mittels der sehr geringen Rotation eines Motors, ähnlich einer Wippe an und ausgeschaltet wird

Aktiviert wird die Pumpe über eine Zeitschaltung, dass heißt, sie wird alle x Stunden betrieben. Die Abstände, in denen die Pumpe betrieben wird über das Thermometer, welches bereits beim Dach Anwendung gefunden hat, gesteuert (bei hohen Temperaturen wird entsprechend häufiger gegossen, als bei niedrigen).

Benötigte Materialen aus dem Baukasten:

  • das gleiche Thermometer
  • ein weiterer Motor
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Kronleuchter, der bei Dunkelheit angeht Bearbeiten

Der aus Perlen und Draht hergestellte Kronleuchter enthält eine weiße LED, welche über einen Kippschalter bedient wird.

Benötigte Materialen aus dem Baukasten:

  • eine weiße LED
  • Kippschalter
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Nachfüllanzeige für den Wasserbehälter Bearbeiten

Die Pumpe wird über eine Flasche mit Wasser gespeist, welche in einem "Brunnen" steht. Im Innerin des Brunnens befindet sich eine weiße LED, die permanent leuchtet und ein Helligkeitssensor, der ihr Licht auffängt. Außerdem sind außen eine rote und eine grüne LED angebracht, bei ausreichendem Wasserstand leuchtet die grüne LED. In der Flasche befindet sich neben einer Pumpe ein Schwamm, dieser sinkt bei sinkendem Wasserstand bis er schließlich zwischen LED und Helligkeitssensor ist. Da der Infrarotsensor nun weniger Licht registriert erlischt das die grüne LED und die rote beginnt zu leuchten, solange bis der Wasserstand wieder ausreichend ist.

Benötigte Materialen aus dem Baukasten:

  • eine grüne, weiße und eine rote LED
  • ein Helligkeitssensor

Das Programm Bearbeiten

Programm

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Weiterführende Themen Bearbeiten

  • In einer anderen Programmierumgebung, alle weiteren Kontrollstrukturen und deren Strukturblöcke
  • Eingebetete Systeme
  • Fächerübergreifend: Treibhauseffekt, Botanik