Roboterbau

Unterrichtseinheit Roboterbau

INHALTE

Autoren
Bezug zu den Standards
Unterrichtsverlauf
Download der gesamten Einheit als Zip-file (15,7 MB)

Autoren
Alexander Schäfer (FSG Marbach), alexander.schaefer@fsg-marbach.de

Vorbemerkungen
Am

NwT-Stützpunkt am FSG Marbach wurden Erfahrungen für eine Unterrichtseinheit Roboterbau gesammelt. Dabei ergab sich der gemeinsame Kern vieler weiterer Projektideen zu diesem Thema. Die hier dargestellte Fassung beschränkt sich auf eine kurze Einführung ins Programmieren und die Realisierung eines kleinen Beispielprojekts. Weitere größere Projekte können sich hier anschließen, ohne dass weitere elementare Grundkenntnisse nötig werden.
Mehrere Klassensätze stehen sieben Partnergymnasien im Umkreis des FSG nach Einarbeitung der Lehrkräfte gemeinsam zur Verfügung. Die Wartung und Pflege der Gerätesätze übernimmt das FSG. Die Beschaffung der Gerätesätze wurde durch die Robert-Bosch-Stiftung ermöglicht.

Bezug zu den Standards Prinzipien:

a) Ursache und Wirkung

Die Schülerinnen und Schüler verstehen, ausgehend von einfachen Ursache-Wirkungs-Beziehungen, immer komplexere Zusammenhänge.
Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung:
o    Struktur – Funktionszusammenhang
o    lineare Kausalkette
o    positive und negative Rückkopplung

b) Systemgedanke

Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der Systemgedanke für das Verständnis ihrer Umwelt hilfreich ist. Sie erschließen Systeme in zunehmend komplexen Zusammenhängen und wissen um die Dynamik und die Wechselwirkungen in diesen Systemen. Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung:
o    geschlossene und offene Systeme
o    Zusammenwirken von Teilsystemen
o    Steuerung und Regelung

Betrachtungsbereiche

a) Technik

Die Schülerinnen und Schüler kennen Leistungen des menschlichen Erfindergeistes und der Ingenieurkunst sowie deren Bedeutung und Nutzen für den Menschen. Die Schülerinnen und Schüler können mechanische Konstruktions- und Funktionsprinzipien anwenden.

b) Mess- und Arbeitsmethoden

Die Schülerinnen und Schüler erfassen ihre Lebenswelt mit naturwissenschaftlichen Methoden. Sie können mit zunehmender Selbstständigkeit Experimente planen, durchführen, auswerten. Sie gehen mit Werkzeugen und Geräten sachgerecht und sorgfältig um.
Die Schülerinnen und Schüler können Computer als Werkzeug für die Steuerung oder Regelung von Prozessabläufen nutzen.

c) Material

Umgestalteter qfix®-Gerätesatz:
Im Grundbaukasten „Crashbobby“ wurde das Bobbyboard durch das Miniboard ersetzt und um zwei Tastsensoren und zwei Infrarot-Reflexsensoren ergänzt. Von den vorhandenen drei Abstandssensoren wurde einer entnommen. Alle Bauteile finden in der bisherigen Gerätebox Platz. Von den drei Sensortypen steht je ein Paar zu Verfügung. Damit ist die Durchführung der unterschiedlichsten Projekte möglich.

Die aktuelle Version der Datei

qfixminiBoard.h

muss auf dem PC installiert sein

Die Datenübertragung zwischen PC und Microcontroller ist nun über USB realisierbar und in beiden Richtungen möglich.
Dazu muss die aktuelle Version der Datei

qfixserial.h

auf dem PC installiert sein

Fotos:

Alle Sensortypen eingebaut

Unterrichtsverlauf

Es standen 11 Gerätesätze zur Verfügung. In den Doppelstunden, in denen die Programmierung der Fahrroboter durchgeführt wurde, war die Klasse geteilt.
Für die Nutzung oder Ansicht der C++ Programme (*.cc) ist ein frei verfügbarer Compiler erforderlich (downloadbar bei Firma

qfix unter downloads)

Dauer	Thema	Inhalte	Methoden Materialien
1	Annäherung ans Thema	Vorstellung der Sensoren und Fahrroboter Sammlung von Projektideen	Fahrzeuge mit unterschiedlichen Sensorausstattungen und entsprechenden Programmen R1, R2, R3 Ideensammlung
1	Aufbau der Fahrroboter ohne Sensoren	Benennung der Bauteile	Foto , Bezeichnung der Bauteile , Anleitung Programme vor.cc vor_ und_zurueck.cc
2	Programmierung einer Steuerung	Befehle zur Steuerung der einzelnen Motoren, Wartezeiten	Anleitung
4	Wettbewerb:Hindernisumrunder	Erstellung eines eigenen Programms zur Steuerung Durchführung des Wettbewerbes	Wettbewerbsbedingungen Video (ca. 3,5 MB) einer Fahrt
4	Ausweichfahrroboter	Einbau der Tastsensoren, Logische Strukturen: Wiederholungsschleife Wenn- dann Abfrage	Anleitung Programm: Struktogramm Entscheidung.cc Programm: Struktogramm Ausweich.cc
5	Fahrroboter, der in definiertem Abstand der Wand entlang fährt.	Steuern und Regeln Regelkreise: z.B. Heizung... Wettbewerb möglich	Grafik: Regelkreis Regelkreis beschriftet Programm: Struktogramm Abstandsfahrt.cc
2	Weitere Sensoren	Durchführung von weiteren Projekten	Abstandssensor IR-Reflexsensor Video (ca. 2,7 MB) Schülerarbeiten
1	Abschluss	Demontage der Geräte	Anleitung
20

Mögliche Erweiterungen

Nutzung weiterer Sensoren auch in Kombinationen
Datenübertragung vom Microcontroller auf den PC

Leistungsbeurteilung

In einer Klassenarbeit wurde die Erstellung eines Struktogrammes für eine bekannte Prob-lemstellung verlangt. Zu diesem Struktogramm musst das zugehörige Programm formuliert werden. Zu den Bewertungskriterien gehört die logische Schlüssigkeit in der Umsetzung und die Dokumentierung des Vorgehens durch Kommentarzeilen in den Programmen.

Rückblick und Reflexion

Nach dem Einstieg durch die Demonstration der drei Grundtypen von möglichen Fahrzeugen formulieren die Schülerinnen und Schüler eine Vielzahl von Ideen, die nach der grundlegen-den Einführung arbeitsteilig oder als Wettbewerb bearbeitet werden können.
Die Programmierung fiel den Schülern durch die Einführung der Struktogramme nicht schwer. Schülerinnen und Schüler mit Programmiervorkenntnissen (auch in anderen Pro-grammiersprachen) konnten die Aufgaben auf einem höheren Niveau lösen oder weitere Zu-satzaufgaben bearbeiten.
Bei den Wettbewerben wurde viel Zeit für die Erarbeitung und Diskussion der Wettbewerbs-bedingungen verwendet. Sie konnten erst endgültig formuliert werden, nachdem Grunder-fahrungen mit den technischen Möglichkeiten der Fahrroboter vorlagen.