Digi:Schools Konzept

Verkehrsflusskontrolle mit Künstlicher Intelligenz

Schüler*innen lernen Bildklassifikation und visuelle Programmierung kennen, indem sie eine Ampelsteuerung in PictoBlox erstellen, sie mit Tinkercad simulieren und schließlich eine reale Schaltung mit einem Arduino programmieren.

1. Einheit: Einführung Bildklassifikation

2. Einheit: Programmieren einer Ampelsteuerung in PictoBlox

3. Einheit: Simulieren der Ampelsteuerung mit Tinkercad

4. Einheit: Vom virtuellen zum realen Schaltkreis

Erstellt von der Anne-Frank-Realschule, Düsseldorf

Übersicht

Kompetenzen

Material

Übersicht

Kompetenzen

Material

Dieses Projekt kombiniert die Programmierung mit PictoBlox, den praktischen Aufbau mit einem Arduino und die virtuelle Simulation mit Tinkercad. Die Schüler*innen erhalten nicht nur Einblicke in die Grundlagen der Programmierung und Elektronik, sondern erkunden auch, wie Künstliche Intelligenz im Alltag, speziell in Verkehrssystemen, Anwendung finden kann.

Lehrkraft Anne-Frank-Realschule, Düsseldorf

2. Einheit: Programmieren einer Ampelsteuerung in PictoBlox

Vorbereitung

Lege Schülerkonten direkt über die PictoBlox-Software an.

Achte darauf, die Anmeldebestätigung per E-Mail zu überprüfen. Falls sie nicht im Posteingang erscheint, schau bitte im Spamordner nach. Eine E-Mail-Adresse kann für mehrere Anmeldungen verwendet werden, aber dann muss das Projekt lokal auf den Computern gespeichert werden.

Einführung (ca. 10 Minuten)

Du lernst eine Ampel mit Objekterkennung zu programmieren, das heißt, dein Programm auf PictoBlox erkennt, wie viele Autos auf einem Bild eine Kreuzung überqueren und schaltet entsprechend die Ampelphasen von rot zu gelb zu grün und zurück. Wir werden später diese Ampelschaltung mit dem Arduino verbinden und die Automatisierung anpassen.

Arbeitsphase (ca. 100 Minuten)

Anmeldung auf PictoBlox: Melde dich bei PictoBlox an und erstelle ein neues Projekt.
Bilder einfügen: Lade Bilder mit unterschiedlich vielen Autos hoch. Füge diese Bilder als Kostüme in den Hintergrund der Bühne (Stage) ein.

Du kannst im Vorfeld passende Bilder aussuchen, herunterladen und deinen Schülerinnen und Schülern zur Verfügung stellen.

Ampel-Objekte erstellen: Erstelle eine neue Figur für die Ampel in der Zeichensicht. Zuerst erstellst du eine Ampel mit blassen Farben: rot, gelb, grün.
Kopiere diese Ampel (Kostüme) 3-mal und verstärke bei der ersten Ampel die Farbe Rot, bei der 2. Ampel die Farbe Gelb und bei der dritten Ampel grün. So erhältst du die 3 Zustände einer Ampel.
Ampel-Objekte programmieren: Programmiere den Wechsel der Farbphasen. Nutze dafür den Block „Wenn ich … empfange“ und „wechsle zu Kostüm …“

Objekterkennung einbinden: Nutze die Blöcke für die Objekterkennung, damit PictoBlox die Anzahl der Autos auf den Bildern erkennen kann. Die Bildauswahl erfolgt nach dem Zufallsprinzip. Achte darauf, dass die Programmierung bei den Bühnenbildern eingefügt wird!
Variable ZEIT definieren: Diese Variable wird verwendet, um die Dauer der Ampelphasen zu steuern.
Unterfunktion für Fotos: Definiere eine Unterfunktion „Mache ein Foto“, die von der Hauptfunktion des Hintergrundes aufgerufen wird, um die jeweilige Verkehrssituation zu erkennen.

Skript mit Ampel verbinden: Das Skript soll nun in der Lage sein, die Anzahl der Autos zu erkennen und Nachrichten an die Ampel zu senden (sende rot, sende gelb, sende grün).

Erstelle eine Funktion Blockname mit den Parametern „Zeit der Rotphase“ und „Zeit der Grünphase“, so wird die Programmierung etwas besser lesbar.

Die Objekterkennung sollte jetzt feststellen können, wie viele Autos abgebildet sind. Das Skript muss mit der Ampel kommunizieren, deshalb werden Nachrichten an die Ampel gesendet (sende rot, gelb, grün)

3. Einheit: Simulieren der Ampelsteuerung mit Tinkercad

Vorbereitung

Richte Tinkercad ein.

Vorbereitungen für Tinkercad
1. Registriere dich als Lehrer: Melde dich auf www.tinkercad.com als Lehrkraft an.
2. Richte einen Klassenraum ein: Erstelle in Tinkercad einen Klassenraum, um deine Schüler*innen zu verwalten.
3. Lege Schülerkonten an: Erstelle in deinem Klassenraum individuelle Konten für deine Schüler*innen.
4. Drucke Zugangsinformationen: Drucke die Zugangsdaten für jede*n Schüler*in aus.
Hast du nur einen Arduino zur Hand und möchtest testen, wie du ihn mit PictoBlox programmieren kannst? Schau hier nach
Möchtest du den Code nutzen, schreibe uns gerne an.

Erstelle vorab ein einfaches Beispiel einer Ampelsteuerung. Dieses kann als Referenz für die Schüler*innen dienen und ihnen eine Vorstellung davon geben, wie das fertige Projekt aussehen sollte.

Gib deinen Schüler*innen folgende Arbeitsanweisung:

Arbeitsphase

Zugang zur Tinkercad-Klasse:
- Gehe auf www.tinkercad.com.
- Klicke auf „Schüler beitreten“ oder „Join your class“ und gib den Klassen-Code ein, den dein Lehrer dir gegeben hat.
- Wenn du bereits ein Konto hast, logge dich mit deinen Zugangsdaten ein. Falls nicht, folge den Anweisungen, um ein neues Konto zu erstellen.
Neues Schaltungsprojekt erstellen: Nach dem Einloggen navigiere zum Bereich Entwürfe und klicke auf „Neue Schaltung erstellen“.
Aufbau der Ampelschaltung:
- Gib im Suchfeld „Steckplatine“ ein und ziehe die passende Schaltung mit dem Arduino in deinen Arbeitsbereich.
- Platziere drei LEDs (Rot, Gelb, Grün) auf der Steckplatine.
- Schließe einen Widerstand (z.B. 220 Ohm) an die längere Anode (Pluspol) jeder LED an.
- Verbinde das andere Ende des Widerstandes mit dem entsprechenden Arduino-Pin (z.B. Pin 13 für Rot, Pin 12 für Gelb, Pin 8 für Grün).
- Verbinde die kürzere Kathode (Minuspol) jeder LED mit der Minusleiste(-) der Steckplatine.

Programmierung der Ampelsteuerung:
- Öffne den Code-Editor in Tinkercad.
- Wähle „Blöcke“ oder „Text“ für die Programmierung.
- Programmierhinweis: Eine Ampelsteuerung funktioniert in einer bestimmten Reihenfolge. Lasse zuerst die rote LED (Pin 13) leuchten, dann die gelbe (Pin 12) und schließlich die grüne (Pin 8). Nutze „Verzögerungen“ (warten), um die Dauer jeder Farbphase zu steuern. Denke daran, dass nach der grünen Phase wieder die rote Phase beginnt.
- Überprüfe deinen Code auf Fehler.

Simulation der Ampelschaltung:
- Starte die Simulation mit „Simulation starten“.
- Überprüfe, ob die Ampel wie geplant funktioniert. Bei Bedarf passe die Verkabelung oder den Code an.

4. Einheit: Vom virtuellen zum realen Schaltkreis: Arduino-Programmierung mit PictoBlox

Vorbereitung

Stelle die nötigen Materialien als Sets für deine Schüler*innen bereit.

Zur Aufbewahrung und Sortierung der Sets kannst du einfache Boxen nehmen (Brotdosen, …)

Teste das Setting im Vorfeld. Hier kannst du dir folgenden Hinweis durchlesen.
Stelle gegebenenfalls die Tinkercad Schaltung aus der vorherigen Stunde zur Verfügung.

Arbeitsphase (ca. 100 Minuten)

Gib deinen Schüler*innen folgende Arbeitsanweisung:

Bestehendes Projekt öffnen: Starte PictoBlox und öffne das Projekt, das du im ersten Teil des Workshops erstellt hast.
Wechsle in den Arduino-Modus: Wähle in der oberen Leiste dein Arduino-Board aus (Unter Vorstand eine mögliche Übersetzung von Board). Damit wechselst du in den Modus, der es dir erlaubt, den Arduino zu programmieren.
Firmware hochladen: Bevor du anfängst zu programmieren, musst du zuerst die Firmware auf den Arduino hochladen. Das machst du einmalig zu Beginn. Klicke dafür auf „Firmware hochladen“ in PictoBlox.

Hier könnte es sinnvoll sein, diesen Schritt im Vorfeld auf allen Arduinos durchzuführen.

Bühnenmodul: Achte darauf, dass das Modus Bühne aktiv ist.

PictoBlox's Bühnenmodus ermöglicht Schüler*innen, die Auswirkungen ihrer Programmierung auf einem Arduino-Board in Echtzeit zu erleben. Diese interaktive Plattform zeigt, wie digitale Anweisungen physische Reaktionen in der Hardware hervorrufen. Insbesondere bei KI-Anwendungen wie Objekterkennung verknüpft der Modus Software und Hardware, was das Verständnis von Eingabe- und Ausgabeprozessen fördert.

Ergänze die Arduino-Blöcke: Füge in dein bestehendes Programm die Blöcke für die Steuerung des Arduino ein. Dies beinhaltet Blöcke, um die Pins ein- und auszuschalten.

Verbinde die LEDs und Widerstände:
- Nutze das Steckbrett, um deine LEDs und Widerstände analog zur Tinkercad-Simulation zu platzieren.
- Verbinde die Anoden (Pluspole) der LEDs über Widerstände mit den entsprechenden Pins am Arduino (verwende die Tinkercad-Simulation als Referenz für die Pin-Nummern).
- Verbinde die Kathoden (Minuspole) der LEDs mit der Minusleiste (GND) auf dem Steckbrett.

Lade das Programm auf den Arduino hoch:
- Stelle sicher, dass du den korrekten Port und das korrekte Arduino-Board in PictoBlox ausgewählt hast.
- Klicke auf die grüne Flagge, um das Programm auf den Arduino zu übertragen
Ampelschaltung testen:
- Nachdem du den erweiterten Code hochgeladen hast, teste deine Ampelschaltung.
- Überprüfe die LEDs und die Reaktionen auf deine Programmierung.

Verkehrsflusskontrolle mit Künstlicher Intelligenz

2. Einheit: Programmieren einer Ampelsteuerung in PictoBlox

Vorbereitung

Einführung (ca. 10 Minuten)

Arbeitsphase (ca. 100 Minuten)

3. Einheit: Simulieren der Ampelsteuerung mit Tinkercad

Vorbereitung

Arbeitsphase

4. Einheit: Vom virtuellen zum realen Schaltkreis: Arduino-Programmierung mit PictoBlox

Vorbereitung

Arbeitsphase (ca. 100 Minuten)

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