Konzeption der fischertechnik-AG


Hintergrund-Beitrag im VKSI-Magazin (Januar 2015):

Konzeption der fischertechnik-AG als pdf:


1 Motivation


Deutschland verdankt seinen Wohlstand der hohen Qualität seiner technischen Produkte und der daraus resultierenden weltweiten Nachfrage. Die Aufrechterhaltung dieses Vorsprungs wird angesichts der Entwicklungssprünge anderer Staaten (vor allem Indiens und Chinas) und des Bevölkerungsrückgangs in Deutschland zukünftig zur Herausforderung.

Daher kommt der frühen Vermittlung eines Grundverständnisses für technische Zusammen­hänge und der Weckung von Begeisterung für technische Fächer (Maschinenbau, Elektro­technik, Informatik) eine wachsende Bedeutung zu. Ähnlich wichtig wird die Fähigkeit zur eigenständigen Entwicklung von Problemlösungen. Diese Fertigkeiten lassen sich besonders gut in (freiwilligen) Projektarbeiten zu technischen Aufgabenstellungen in kleinen Teams vermitteln, bei denen Schülerinnen und Schüler nach Neigung, Vorkenntnissen und Interesse zwischen unterschiedlichen Themen und Schwierigkeitsgraden wählen können.

Dazu soll am Bismarck-Gymnasium eine fischertechnik-AG für an technischen Themen interessierte Schülerinnen und Schüler beitragen.

2 Zielsetzung


Die fischertechnik-AG soll den teilnehmenden Schülerinnen und Schülern auf spielerische Art und Weise im Rahmen von kleinen Entwicklungsprojekten
  • elementare Kenntnisse der Mechanik, Elektromechanik, Elektronik, Optik und Informatik vermitteln,
  • die Entwicklung von Modellen zur Veranschaulichung physikalischer Phänomene und darauf basierender technischer Entwicklungen (bspw. Dampfmaschine, Elektromotor) ermöglichen und
  • in die Konstruktion und Programmierung einfacher programmgesteuerter Modelle der angewandten Informatik (Roboter, automatische Steuerungen, Nachrichtenübermittlung) einführen.

Begleitend wird die Dokumentation der Modellentwicklung geübt (Aufgabenstellung, Lösungsweg, ggf. Rechenwege zur Analyse der Lösungsansätze, Fotos und 3D-Entwürfe der Modelle).

Die Wahl von fischertechnik als einheitliches und bewährtes Baukastensystem verkürzt die Einarbeitungszeit für die unterschiedlichen Modelle und Aufgabenstellungen und reduziert den Materialbedarf, da bei allen Aufgaben dasselbe System zu Grunde gelegt werden kann. Die Stabilität, Flexibilität und Vielseitigkeit dieser Technikbaukästen prädestinieren fischertechnik für den Einsatz in der Schule.

Durch die Teilnahme an Wettbewerben (z. B. dem jährlichen RoboCupJunior) und die Präsentation der Arbeitsergebnisse, bspw. im Physikunterricht, im Rahmen des Bismarck-Forums, am Tag der offenen Tür sowie auf fischertechnik-Veranstaltungen wie dem Fanclub-Tag in Waldachtal und der fischertechnik Convention in Erbes-Büdesheim soll ein zusätzlicher Ansporn geschaffen werden.

Im Laufe der Zeit sollen zudem Lehrmaterialien (Aufgabenstellungen mit Musterlösungen, Modellentwürfe für den Physikunterricht etc.) entwickelt werden, die sich als Funktions­modelle auch für den Einsatz im regulären Schulunterricht eignen.

3 Lerninhalte


Die folgenden technischen Themenbereiche werden im Verlauf der fischertechnik-AG in kleinen, 15minütigen Lerneinheiten anhand von fischertechnik-Modellen vorgestellt:

  • Statik (Brücken, Dreh-, Klapp- und Hubbrücken, …)
  • Getriebe (Gangschaltung, Kupplung, Kardan- und Riemengetriebe, Viergelenkgetriebe, Planetengetriebe/Differential, Kurbelschwinge, Gleichlaufgetriebe – Modelle: Hebebühne, Scheibenwischer, Uhr, Fahrzeug mit Vierganggetriebe, Planetarium, …)
  • Antriebe (Raupenantrieb, Vierradantrieb mit Lenkung, Hubschrauberrotor, …)
  • Messung physikalischer Größen (Waagen, Drehzahlmessung, Rundenzähler, Geschwindigkeitsmessung, …)
  • Dampfmaschine (Entwicklung eines „Luftdruckmotors“)
  • Schaltungstechnik (Endlagenschalter, Dioden, Relais – Modelle: Garagentor, Ampelsteuerung, …)
  • Elektromagnetismus (Konstruktion eines Elektromotors, 50-Hz-Antrieb einer mechanischen Uhr)
  • Nachrichtenübertragung (Morsecode, Bluetooth-Kommunikation, …)
  • Logik (Konstruktion elektromechanischer Logikbausteine)
  • Programmierung (Ansteuerung von I²C-Sensoren und Aktoren, Plotter, …)
  • Codierung (Barcodes, CD-Spieler, Programmierung eines Atomzeit-Empfängers mit LED-Anzeige)
  • Robotik (Bau eines Spurfolgers, Labyrinthroboters, Einparkautomatik, …)

Dabei erfolgt jeweils auch eine kurze Einführung in die jeweiligen physikalischen, mathe­matischen und algorithmischen Grundlagen; damit sollen die Schülerinnen und Schüler zur Vertiefung des Verständnisses im Zusammenhang mit der Entwicklung der eigenen Modelle angeregt werden.

Auch technikgeschichtliche Aspekte (Erfinder, historischer Kontext und gesellschaftliche Auswirkungen) sollen bei einzelnen Aufgabenstellungen (Dampfmaschine, Uhr, Elektromotor, …) einfließen und von den Schülerinnen und Schülern erarbeitet und dokumentiert werden.

Außerdem können von MINT-Lehrern "Aufträge" zur Entwicklung von Funktionsmodellen für den Physik- oder NWT-Unterricht an die fischertechnik-AG erteilt werden.

4 Ablauf


Die fischertechnik-AG findet einmal wöchentlich in den Räumen des Bismarck-Gymnasiums statt (90-120 Minuten).

Mit Rücksicht auf die erforderliche Eingewöhnung im fünften Schuljahr und die Vorbereitung auf das Abitur sollte die Teilnahme auf die Klassen 6-11 beschränkt sein. Die Teilnehmer der Klassen 9-11 übernehmen Mentorenfunktion und leiten neben der Entwicklung ihrer eigenen Projekte die Teilnehmer an.

Die Zahl der Teilnehmer ist zunächst auf höchstens 15 (Klassen 6-8) zuzüglich maximal fünf Mentoren (Klassen 9-11) begrenzt; gestartet wird im Schuljahr mit bis zu 25 Teilnehmern. Die Teilnehmerzahl kann bei entsprechendem Interesse und abhängig von der Anzahl der verfügbaren Betreuer und nutzbaren Räumlichkeiten sowie des verfügbaren Materials erweitert werden.

Da von den Schülerinnen und Schülern in der fischertechnik-AG Aufgabenstellungen mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad in Angriff genommen werden können und die Aufgaben meist verschieden schwierige Teilaufgaben umfassen, die in Teams von 2-4 Schülerinnen und Schülern bearbeitet werden sollen, lassen sich Alters- und Wissensunterschiede ausgleichen. Vorkenntnisse sind für die Teilnahme an der fischertechnik-AG nicht erforderlich.

Die Aufgabenstellungen können mit den Unterrichtsinhalten der Fächer NWT und Physik abgestimmt werden und die Ergebnisse den Unterricht ergänzen.

Zur Programmierung der Controller wird die bestehende Rechner­ausstattung des Bismarck-Gymnasiums genutzt. Die erforderlichen Schullizenzen für die Programmierumgebung „Robo Pro“ und das CAD-Programm „fischertechnik Designer“ wurden von der fischertechnik-AG beschafft und die Software auf den Rechnern installiert. Für die Programmierung der Controller ist lediglich eine USB- oder eine Bluetooth-Schnittstelle erforderlich.

Die Teilnehmer der fischertechnik-AG dokumentieren die Aufgabenstellung und die erarbeiteten Lösungen in einem Laborbuch. Dabei kann der fischertechnik Designer, ein für fischertechnik-Modelle entwickeltes CAD-Programm, zum Einsatz kommen. Abschließend erstellen die Teams zu ihrem Projekt eine schriftliche Dokumentation, die den Lösungsweg, die technischen, mathematischen und ggf. historischen Hintergründe und eine Anleitung für den Nachbau umfasst, ggf. ergänzt um eine Abschlusspräsentation.

Die Arbeitsergebnisse der fischertechnik-AG werden einmal jährlich auf einer Schulveranstaltung vorgestellt; herausragende Arbeiten können z. B. im Rahmen des Bismarck-Jugend-Forums präsentiert werden. Als zusätzliche Motivation der Teilnehmer wird eine Teilnahme mit mindestens einer Mannschaft am jährlichen Robocup (regionale Vorentscheidungen, Hauptwettkampf in Magdeburg) angestrebt. Bei Interesse wird eine Teilnahme an fischertechnik-Modellausstellungen wie dem FanClub-Tag in Waldachtal oder der jährlichen fischertechnik Convention in Erbes-Büdesheim organisiert.

5 Betreuung


Für die Betreuung wird zunächst eine Lehrkraft (ggf. zzgl. einer Vertretung) für wöchentlich zwei Schulstunden benötigt.
Für eventuelle Fahrten zu Qualifikationsturnieren, Wettbewerben oder Museen und Ausstellungen sind entweder eine zusätzliche Lehrkraft oder die Mitwirkung von Eltern erforderlich.

6 Materialbedarf


Soweit das Computerlabor des Bismarckgymnasiums für die Programmierung von Robotermodellen genutzt werden kann, beschränkt sich der Materialbedarf auf
  • eine Auswahl geeigneter fischertechnik-Baukästen,
  • fischertechnik-Sortierkästen (für die geordnete Aufbewahrung von Bauteilen),
  • ausgewählte I²C-Sensoren und -Aktoren,
  • Schullizenzen für den fischertechnik Designer (CAD-Programm) und die Programmiersprache Robo Pro sowie
  • ein Übungs-Labyrinth (zur Vorbereitung der Teilnahme am Robocup).

Mit der Zeit ist auch in gewissem Umfang mit Ersatzbeschaffungen zu rechnen.

7 Finanzierung


Die initialen Kosten für die Erstausstattung mit fischertechnik-Baukästen belaufen sich auf insgesamt ca. 3.500 €. Eine (auch für andere Schulen empfehlenswerte) Zusammenstellung geeigneter Kästen aus dem fischertechnik-Sortiment wird derzeit von der fischertechnik-AG mit der Firma fischertechnik abgestimmt.

Hinzu kommen im Falle einer Teilnahme am RoboCup die Kosten für das Material eines Modell-Labyrinths, das im Eigenbau entwickelt werden muss. Die Kosten der "Kacheln" für den Spurverlauf belaufen sich auf ca. 450 €.

Außerdem ist mit laufenden Kosten für Ersatz- und Neubeschaffungen in Höhe von ca. 500 bis 1.000 € pro Jahr zu rechnen; schließlich fallen ggf. Reisekosten für die Teilnahme an Wettbewerben wie dem RoboCup oder an Modellausstellungen an.

Anhang: RoboCup


Jährlich findet der internationale RoboCup statt, in dem in nationalen (RoboCup German Open in der Messe Magdeburg, April) und einem internationalen Wettbewerb in mehreren Robotik-Disziplinen Teams mit selbst entwickelten Robotern gegeneinander antreten. Für Teilnehmer im Alter von 10-19 Jahren wird dabei der RoboCup Junior mit den Wettbewerben „Rescue A“, „Dance“ und „Soccer“ ausgetragen.

Die Teilnehmerteams treten in den Altersklassen „Primary“ (am 01.07. des Wettkampfjahres jünger als 15 Jahre) und „Secondary“ (am 01.07. des Wettkampfjahres jünger als 20 Jahre) an. Die Teilnahme an den German Open setzt die Qualifikation an einem von fünf Qualifikationswettbewerben (in Mannheim, Vöhringen, Sankt-Augustin, Berlin und Hannover im Februar/März) voraus, zu denen sich die teilnehmenden Teams bis Ende November des Vorjahres anmelden müssen.

Besonders interessant und anspruchsvoll sind die Wettbewerbe „Rescue A“, in dem ein Roboter ein Objekt in einem Labyrinth (Spur, Hindernisse, Rampe) finden und an einen gesicherten Ort transportieren muss, und „Soccer“, in dem Roboter-Teams gegeneinander Fußball spielen. Für „Soccer“ gibt es auch einen Einsteigerwettbewerb, in dem nur zwei einzelne Roboter gegeneinander spielen.