[justify]Konstruieren Sie eine Rennbahn für eine Kugel so, dass die Kugel am Ende der Bahn ein Auto anstößt, sodass sich dieses so weit wie möglich bewegt. Unter Verwendung eines Mikrocontrollers zur Messung der Geschwindigkeit des Autos bietet das Projekt eine einfache und zugängliche Mischung aus praktischen Ingenieur-Fähigkeiten und Programmierung.[br]Durch die Verwendung von micro:bit-Controllern in dieser praktischen und relevanten Aktivität können Lernende Programmierfähigkeiten entwickeln, um eine interdisziplinäre Herausforderung aus dem wirklichen Leben zu lösen.[br][/justify]

[size=85][size=100][justify][b]Zusammenfassung: [/b][color=#000000][/color]In dieser Aktivität bauen die Lernenden eine einfache Rennbahn für eine Murmel mit vorgegebenen Anforderungen, mit dem Ziel, dass die Kugel am Ende der Rennbahn eine möglichst hohe Geschwindigkeit erreicht. Der Schwung der Kugel wird dann genutzt, um ein Auto in Bewegung zu setzen. Die Geschwindigkeit des Autos wird mit einem Micro:bit-Mikrocontroller gemessen und gibt dem Lernenden ein Maß dafür, wie gut die Ausführung funktioniert. Das Micro:bit verbindet sich mit einem von den Lernenden konstruierten Bewegungssensor, und die erhaltenen Daten werden verwendet, um die Geschwindigkeit des Autos zu berechnen. Das Ziel des Unterrichts ist zweierlei: Erstens die Arbeit mit den Konzepten von Energie, Geschwindigkeit und Schwung durch den Bau einer Rennbahn, um einer Murmel die höchstmögliche Geschwindigkeit zu verleihen, und zweitens das Erlernen algorithmischer, einfacher Programmierung durch die Verwendung eines Mikrocontrollers zur Messung der Geschwindigkeit von Objekten.[/justify][b]Schlüsselwörter:[/b] Mikrocontroller, Energie, Geschwindigkeit, Impuls, einfache Physik, Technik, Elektronik, Programmierung, algorithmisches Denken.[br][color=#000000][b][br]Die Ressourcenliste:[/b][/color][list][*]Isolationsmaterial für die Rohre[br][/*][*]Große Murmeln[br][/*][*]Ein Gerät zum Programmieren des Microbit[br][/*][*]Micro:Bit[br][/*][*]Kabel[br][/*][*]Alufolie[br][/*][*]Klebeband[br][/*][*]Alter Milchkarton (0,5 L)[br][/*][*]Trinkhalm[br][/*][*]Kleine Räder[br][/*][*]Blumenstäbe [br][/*][/list][/size][/size]

[justify][/justify][justify]Programmieren oder eine Art algorithmisches Denken wurde in den letzten Jahren in die meisten nationalen Lehrplänen aufgenommen. Lehrer brauchen konkrete und einfache Möglichkeiten, Lernende herauszufordern, damit sie lernen, wie man das Programmieren für relevante und praktische Herausforderungen einsetzt. Mikrocontroller sind kleine Computer, die häufig im Bildungskontext verwendet werden, da sie billig und leicht zugänglich sein können. Der Arduino ist ein überaus vielseitiger Mikrocontroller im Taschenformat, der in alle möglichen Projekte integriert werden kann und somit für Kinder jeden Alters geeignet ist.[br][br]Der Micro-Bit ist ein leicht zugänglicher und häufig verwendeter Mikrocontroller in Bildungseinrichtungen. Er verfügt über eine gut entwickelte und aktive Online Community und eine Vielzahl kostenloser Online Beispiele und Projekte.[br][br]Die Einfachheit des micro:bit und die Möglichkeit, sich einfach mit der physischen Umgebung zu verbinden und mit ihr zu interagieren, machen diesen Mikrokontroller zu einem sehr nützlichen Einstiegsgerät für den frühzeitigen Einsatz in der Schule.[br][br]Sehr oft können einfache Programmieraufgaben im Klassenzimmer den Lernenden als sehr theoretisch und abstrakt erscheinen. Mikrocontroller bieten mit ihrer Fähigkeit, die sie umgebende Realität zu erfassen und mit ihr zu interagieren, hervorragende Möglichkeiten, mit der Programmierung auf einer Art und Weise zu arbeiten, die den Schülern relevant und konkret erscheint. [br]Die Integration von Programmierprojekten mit einer klaren und konkreten Herausforderung im Klassenzimmer kann die Beteiligung und das Engagement der Lernenden erhöhen. Indem das Projekt sich um einen Zweck dreht, wie in diesem Beispiel die Geschwindigkeitsmessung in einem Ingenieurprojekt, wird das Projekt für die Lernenden relevant und ansprechend. [br][br]Außerdem bietet eine solche Projekte Herausforderung dem Lernenden eine interdisziplinäre Herausforderung, da Kenntnisse und Kompetenzen in den Bereichen Programmierung, Grundlagen, Technik, Elektronik und Biologie erforderlich sind, um diese Herausforderung zu lösen. Dies steht im Einklang mit vielen neuen nationalen Lehrplänen, in denen Interdisziplinarität und offenere Problemlösungen ein aufstrebender Teil sind.[/justify]

[justify][/justify][justify]Die Herausforderung dieser Aktivität besteht darin, die höchstmögliche Geschwindigkeit einer Kugel zu erreichen, indem eine Rennbahn aus Kabel Isolationsmaterial konstruiert wird (siehe Abbildung 1). Die Rennbahn sollte einen Looping aufweisen. Am Ende der Rennbahn trifft die Murmel auf ein einfaches Auto, und der Erfolg der Rennbahn, der Murmel Geschwindigkeit und daraus resultierenden Schwung zu verleihen, wird basierend darauf bewertet, wie schnell und weit sich das Auto bewegt.[br][br]Schritt 1: Baue das Auto, indem der Milchkarton halbiert, zwei Trinkhalme darunter geklebt, ein Blumenstab in jeden Trinkhalm gesteckt und Räder an jedem Ende der beiden Blumenstäbe befestigt werden. Die Trinkhalme und der Blumenstab sollten auf die Breite des Milchkartons zugeschnitten werden.[br][br]Schritt 2: Konstruiere die Rennbahn mit Isoliermaterial und Klebeband (5 Meter lang). Die Rennbahn muss irgendwo zwischen oben und unten eine Schleife haben. Teste die Rennbahn kontinuierlich und passe sie so an, dass sich die Murmel so schnell wie möglich bewegt. [br][br]Schritt 3: Füge an zwei Bereichen, an denen das Auto vorbeifährt sowie an den Rädern des Autos einen Satz Aluminiumfolienstreifen hinzu , sodass beim Vorbeifahren des Autos ein Stromkreis geschlossen wird, der an die relevanten Anschlüssen des micro:bit angeschlossen ist. Die Idee ist, dass das micro:bit die Zeit zwischen dem Schließen des ersten Stromkreises und dem Schließen des zweiten Stromkreises misst und dann mit Hilfe der Zeit, die das Auto für die (bekannte) Distanz zwischen den beiden Stromkreis Schließen benötigt hat, die Geschwindigkeit des Autos berechnet.[br][br]Schritt 4: Programmiere das micro:bit, um die Geschwindigkeit/Zeit/Bewegung des Autos zu messen.[br][/justify]Durchführung des Rennens:[br][br][list=1][*]Lass die Murmel vom höchsten Punkt auf die Kugellaufbahn fallen. [/*][*]Lass die Murmel das Auto am Ende der Kugellaufbahn treffen.[/*][*]Lass das Auto die beiden Messpunkte passieren, die Sie in den Vorbereitungen eingerichtet haben. [/*][*]Lies die Daten vom Micro:Bit ab[/*][*]Vergleiche dein Ergebnis mit dem der anderen Gruppen[/*][/list][br][br][br]

[size=150]Die Lösung für die Aktivität[/size]

[justify]Ziel ist es, die Murmel dazu zu bringen, das Auto so schnell wie möglich zu bewegen und die Geschwindigkeit des Autos zu messen. Dazu müssen die Lernenden die Kugellaufbahn anpassen, um der Murmel im Rahmen der Vorgaben die maximale Geschwindigkeit zu verleihen. Darüber hinaus müssen die Lernenden zwei unterbrechbare Schaltkreise konstruieren, die mit dem micro:bit verbunden sind, und den micro:bit programmieren, um die Herausforderung erfolgreich meistern zu können.[/justify]

[justify][/justify]Die Herausforderung besteht darin, eine Rennbahn so zu konstruieren, dass die maximale Geschwindigkeit erreicht wird, und diese mit einem micro:bit abzulesen.[br][br]Eine Erweiterung der Aktivität könnte darin bestehen, der Kugellaufbahn eine weitere Schleife hinzuzufügen oder die Länge der Kugellaufbahn zu erhöhen oder zu verringern.[br][br]Eine weitere Verbesserung wäre, ein micro:bit an Bord des Autos zu haben, um Beschleunigung und Geschwindigkeit zu messen.

[justify]Sowohl die Programmierung als auch der wissenschaftliche Hintergrund befinden sich auf einem Niveau, das für die beabsichtigte Altersgruppe oder höher am besten geeignet ist. [br]Die Aktivität kann auf sehr junge Kinder herunterskaliert werden, wenn die Lehrer sie eher zu einer Demonstration als zu einer fragebasierten Erkundung entwickeln.[br][br]Es ist nicht schwer, ältere oder begabte Kinder dazu zu bringen, auf einer höheren Ebene über die Physik in dieser Aktivität nachzudenken. [br][br]Für die Programmierung wird es sicherlich Möglichkeiten geben, den Code zu ändern, um andere Dinge zu berechnen oder aber um ihn effizienter zu machen.[br][br]Der Aufbau – das Programmieren und das eigentliche Verstehen der Physik ist für Kinder im Alter von 11-12 Jahren nicht schwer.[/justify]

[justify][/justify][justify][/justify][justify]Dieses Projekt kann in vielerlei Hinsicht vereinfacht und neu strukturiert werden. Eine sehr einfache alternative Version ist, einfach mit der Murmel auf einer Rennbahn zu spielen und zu sehen, wie weit die Murmel rollt. Alternativ kann geprüft werden, wie weit das Auto rollt.[br][br]Eine andere Möglichkeit, diese Aktivität durchzuführen, besteht darin, nur die Geschwindigkeit Messkreise für das Auto zu entwickeln und das Auto einfach von Hand darüber zu bewegen.[/justify]

[justify][/justify]Dieser STEAM-Lernaktivitäts-Workshop richtet sich an Grundschullehrer, die einen physischen Workshop mit Hinzufügen eines einfachen Designs, von Mechanik, Elektronik und unter Nutzung von Computerkenntnissen und Programmierung zur Realisierung erschaffen wollen.

[justify][/justify][justify]Diese Aktivität könnte in einem Workshop in sechs Schritten durchgeführt werden:[br][br]1. Führen Sie die Micro:bit-Programmierung und einfache Verkabelung ein, indem Sie einige einfache Beispiele durcharbeiten. (~60 Minuten).[br][br]2. Lassen Sie die Lehrer die Kugellaufbahn mit dem Looping konstruieren und durch diese testen. Lassen Sie die Lehrer das Auto bauen und erneut mit der Murmel testen. (~30 Minuten)[br][br]3. Lassen Sie die Lehrer darüber nachdenken, wie das Auto zwei Stromkreise schließen kann, wenn es darüber fährt. Zeigen Sie abschließend einige Beispiele dafür und lassen Sie Lehrergruppen damit beginnen, daran zu arbeiten. (~30 Minuten)[br][br]4. Verbinden Sie die Ports vom micro:bit mit den Schaltkreisen, programmieren Sie das micro:bit (mit Hilfe des Schulenden). (~30 Minuten)[br][br]5. Lassen Sie den Aufbau einige Male durchlaufen, lassen Sie Anpassungen zu. (~20 Minuten)[br][br]6. Führen Sie einen Wettbewerb zwischen den Gruppen durch, indem Sie den Aufbau ein letztes Mal für jede Gruppe durchlaufen lassen (~ 15 Minuten).[br][/justify]

[list][*]Gibson & Bradley (2017). A study Northern Ireland Key Stage 2 pupils´perceptions of using the BBC Micro:bit in STEM education [/*][*][url=https://ojs.cumbria.ac.uk/index.php/step/article/view/374]https://ojs.cumbria.ac.uk/index.php/step/article/view/374[/url] [/*][*]Sentance et.al (2017). Creating cool stuff – Pupils´experience of the BBC micro:bit[/*][*][url=https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3017680.3017749]https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3017680.3017749[/url] [/*][*]Korhonen, T., Salo, L., & Sormunen, K. (2019). Making with micro: Bit: Teachers and students learning 21st century competences through the innovation process. In Proceedings of FabLearn 2019 (pp. 120-123).[/*][*]Simović, V., Veskovic, M., & Purenovic, J. (2022). Micro: bit as a new technology in education in primary schools. In Proceedings TIE 2022 9th International Scientific Conference Technics and Informatics in Education. University of Kragujevac, Faculty od Technical Sciences, Čačak.[br][br][br][/*][/list]

Espen Lunde & Frode Skarstein - University of Stavanger