Digi:Schools Konzept

Abstandswarner mit Calliope mini

In dieser Lektion werden die Schüler*innen lernen, ein Fahrzeug mit zwei Motoren durch den Calliope mini zu steuern.

1. Einheit: Steuerung der Motoren

2. Einheit: Sensoren anbringen und verknüpfen

Erstellt von der St. Benedikt Schule, Düsseldorf

Übersicht

Kompetenzen

Material

Übersicht

Kompetenzen

Material

„Wir steuern ein Fahrzeug mit zwei Motoren durch den Calliope mini! Damit das Fahrzeug sich frei im Raum bewegen kann, wird zusätzlich ein Ultraschallsensor als Abstandswarner eingesetzt.“

Lehrkraft St. Benedikt, Düsseldorf

1. Einheit: Steuerung der Motoren

Vorbereitung

Computer / Laptops reservieren und ausleihen
1 Calliope pro 2 Schüler*innen ausleihen
An den beiden Motoren müssen je zwei Jumper Wire Kabel angebracht sein (können die Schüler*innen vorher anlöten, sofern sie Erfahrungen darin haben)
An den Calliope mini muss eine Stiftleiste angebracht werden
Der Calliope mini wird mit einem Gummiband versehen (Bild B)

Einführung (ca. 15 Minuten)

Einstieg ins Thema:
Die Klasse soll mihilfe des Calliope mini, Motoren und Sensoren einen Abstandswarner bauen. Dafür benötigen die Schüler*innen die vorbereiteten Gegenstände.
Wiederholt zunächst die Inbetriebnahme und die Programmierung des Calliope mini. Geht dabei auf die Grundfunktionen und die möglichen Anschlüsse der Platine ein. Offene Fragen werden geklärt.
Die Schüler*innen erfahren das heutige Ziel: Die beiden Motoren sollen über den Calliope mini angesteuert werden. Dafür müssen sie das passende Programm schreiben. Zudem wird der Unterbau des Fahrzeugs konstruiert.

Arbeitsphase I (ca. 30 Minuten)

Die Aufgabe findet in Partnerarbeit statt.

Programmiert den Calliope mini unter makecode.calliope.cc so, dass die zwei Motoren angesteuert werden.

Je nach Kompetenzwissen der Schüler*innen können die benötigten Programmierblöcke zur Ansteuerung der Motoren vorgegeben werden.

Nachdem die Schüler*innen die Motoren programmiert haben, verbinden sie die Motoren mit der Stiftleiste.

Verbindet die Motoren an der Stiftleiste (Bild C) eures Calliope mini und setzt beide Motoren in Bewegung. Achtet auf die gleiche Laufrichtung der Motoren.

Motor A in Bewegung setzen.
Motor B in Bewegung setzen.
Beide Motoren drehen sich in die gleiche Richtung.

Hierbei können einige Fehler auftreten:

Die Stiftleiste wurde nicht richtig angebracht; die Lötstellen sind fehlerhaft.
Die Wire Kabel sind nicht richtig mit den Motoren verbunden.
Die Motoren laufen in unterschiedliche Richtung? Überprüft die +/- Polung der Motoren (Pinbelegung Stiftleiste von links nach rechts: + - - +).

Arbeitsphase II (ca. 40 Minuten)

Nun wird der Unterbau des Fahrzeugs konstruiert. Dieser kann aus Pappe gebastelt oder mit einem 3D Drucker gedruckt werden. Die Herstellung eines Unterbaus aus Pappe benötigt ggf. mehr Zeit, sodass die Arbeitsphase verlängert werden muss.

Auf der Pappe müssen Vorrichtungen für den Calliope mini mit Batterien vorhanden sein. Motoren können an Unterseite der Pappe angeklebt werden.

Baut einen Unterbau für euren Abstandswarner aus Pappe. Bringt den Calliope mini mit den Motoren an und setzt die Motoren anschließend in Bewegung. Prüft jetzt: Kann das Fahrzeug geradeaus fahren? Kann das Fahrzeug nach links fahren? Kann das Fahrzeug nach rechts fahren?

Ausblick (ca. 5 Minuten)

Besprecht in einer Feedbackrunde, wie die Stunde verlaufen ist. Welche Schwierigkeiten sind aufgetreten? Wie habt ihr das Problem gelöst? Wie funktioniert eigentlich eine Einparkhilfe bzw. ein Abstandswarner? Welche Technik wird dabei verwendet?
Gib einen Ausblick auf die nächste Stunde.

2. Einheit: Sensoren anbringen und verknüpfen

Vorbereitung

Computer / Laptops reservieren und ausleihen
Ultraschallsensoren bereitlegen

Einführung (ca. 5 Minuten)

Die Schüler*innen erfahren das Ziel dieser Stunde: Es wird ein Ultraschallsensor an das Fahrzeug angebracht und programmiert, der den Abstand zu Gegenständen erkennen kann.
Besprich mit der Klasse, wie ein Ultraschallsensor funktioniert. Was wissen die Schüler*innen bereits darüber? Wie bewegt sich z.B. eine Fledermaus fort, ohne gegen etwas zu fliegen? Du kannst vorab einige Beispiele zum Thema Ultraschall auf einer Folie zusammenstellen, die den Schüler*innen Denkanstöße liefern.

Du kannst hier auch zunächst die „Think, Pair, Share“ Methode verwenden, um einen Austausch zwischen den Schüler*innen anzuregen.

Arbeitsphase III (ca. 40 Minuten)

Die Schüler*innen bekommen ihre Aufgabe.

Verbinde den Grove-Ultraschallsensor (Anschluss A1) mit dem Calliope mini.
Programmiere den Ultraschallsensor. Hierzu musst du unter makecode.calliope.cc die Erweiterung Grove und den Ultraschallsensor (in cm) auswählen.
Der Sensor soll den Abstand zu einem Gegenstand messen und ihn über das LED-Display des Calliope mini ausgeben.

Du kannst die Blöcke für die richtige Programmierung angeben. Die Schüler*innen müssen diese dann noch in der richtigen Reihenfolge zusammenstellen. Es werden folgende Blöcke benötigt:

Eine Dauerschleife
Eine Variable (benannt mit Entfernung)
Eine Anzeige des gemessenen Abstandes: „Zeige den Wert Entfernung.“
Ultraschallsensor in cm

Kontrolliert, ob der Ultraschallsensor die tatsächliche Entfernung zum Gegenstand anzeigt.

Arbeitsphase IV (ca. 40 Minuten)

In der letzten Arbeitsphase wird der Ultraschallsensor mit den Motoren verknüpft. Es soll programmiert werden, dass die Motoren stoppen, sobald der Ultraschallsensor einen gewissen Abstand erkennt.

Die Motoren sollen sich bewegen, solange das Fahrzeug >30cm von einem Hindernis entfernt ist. Wenn nicht, dann soll das Fahrzeug stoppen. Beachte dabei folgende Punkte:

Die Messung des Abstandes und das Betreiben der Motoren soll ständig gemessen werden.
Der Abstand soll auf dem LED-Display angezeigt werden.
Die Motoren sollen sich in Bewegung setzen. Wenn der Abstand >30cm zum Hindernis ist soll das Fahrzeug fahren. Ansonsten sollen die Motoren stoppen.

Dazu benötigen die Schüler*innen die Ultraschall-Programmierung aus der vorherigen Arbeitsphase und eine zusätzliche Logikschaltung „Wenn, dann …“.

Abschluss (ca. 5 Minuten)

Zum Abschluss können sich die Schüler*innen ihre fertigen Fahrzeuge vorstellen. Resümiert gemeinsam den Arbeitsprozess.

Als mündliche Feedbackmethode eignet sich beispielsweise die Fünf-Finger-Methode (Feedback-Hand). Leitende Fragen könnten sein:

„Was war super?“
„Was ist euch aufgefallen?“
„Was könnte beim nächsten Mal noch verbessert werden?“
„Was hat beim Programmieren besonders Spaß gemacht?“
„Was ist zu kurz gekommen?“

Hinweise

Insgesamt kann die Unterrichtseinheit auch im Rahmen eines Projekttages von 4-5 Zeitstunden stattfinden.
Folgende Programmierblöcke sind elementar für die Programmierung des Abstandswarners: