Von der Virtualität zur Realität

Durch die Vielseitigkeit der Mikroelektronik halten heute in den meisten Bereichen des täglichen Lebens Mikrocontroller Einzug, welche unter anderem die Steuerung  von Uhren, Waschmaschinen, (Mobil-)Telefonen oder auch Spielzeugen übernehmen. Durch die Nutzung relativ preiswerter und platzsparender intelligenter Elektronik bietet sich darüber hinaus mittlerweile aber auch schon in den Schulen ein großes Potenzial für den Einsatz von Mikrocontrollern in Verbindung mit PCs zur Aufnahme, Darstellung und Auswertung von Messwerten in Naturwissenschaft und Technik.

Lassen sich diese Möglichkeiten nicht auch für eigene Ideen und Projekte verwenden? Könnte man mit Hilfe dieser Technologien nicht auch selbst entwickelte Prozesse steuern? Aber wie funktioniert das überhaupt? Wie wird aus der Virtualität eines Computerprogrammes die Realität eines Gebrauchsgegenstandes oder auch Messgerätes?

Für den Bereich der Mikroelektronik sind im allgemeinen Unterricht nur wenige praktische Anwendungen vorgesehen, wodurch die große Gefahr besteht, dass den Schülerinnen und Schülern die tatsächlichen Möglichkeiten und Zusammenhänge weitestgehend verschlossen bleiben.

Mit Beginn 2010 wurde an der Lernwerft – Club of Rome Schule Kiel, in Zusammenarbeit mit der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, ein Projektunterricht entwickelt, in dem Jugendliche einen möglichst einfachen und intuitiven Zugang zur Mikroelektronik finden können. Als erste Anregung und für einen praxisorientierten Einstieg in dieses Fachgebiet werden Problemstellungen aus der Physik und Technik aufgegriffen, welche dann mit Hilfe der Mikroelektronik gelöst werden sollen. Dazu zählen verschiedene Messungen und einfache Experimente aus dem Bereich der Mechanik wie z.B. Zeit- und Geschwindigkeitsmessungen bei Fallversuchen.

Als technische Grundlage des Unterrichts wurde die Arduino-Plattform gewählt. Sie bietet eine moderne Softwareumgebung und flexible Einsatzmöglichkeiten. Die Hardware stellt auf einem einfachen Board neben dem Controller mehrere digitale und analoge Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Durch den Open-Source-Gedanken hat diese Plattform bereits große Beliebtheit erlangt, wodurch inzwischen zahllose Projekte im Internet verfügbar sind, die im Unterricht und bei außerunterrichtlichen Projekten als Anregung genutzt werden können.

Das Projekt und die Hintergründe des Controllers wurden von einer Schülerin der 10 Klasse im Rahmen einer Hausarbeit zusammengefasst:

„Die Geschichte des Arduino`s

Im Jahre 1002 ließ sich der damalige Markgraf Arduino nach dem Tod von Kaiser Otto II zum König von Italien wählen. Doch nachdem er Wiederstand des Adels und Klerus aufgrund seiner unrechtmäßigen Aneignung von Kirchengut nach der Ermordung Bischoffs Petrus erfahren hatte, trat er freiwillig den Posten den Königs von Italien ab und starb in einem Kloster. Arduino war ein machtgieriger aber dennoch erfolgloser Mensch gewesen. Das Arduino – Projekt wurde jedoch nicht direkt nach diesem König Arduino benannt, sondern nach der örtlichen Kneipe, die ihren Namen wiederum vom damaligen König hatte.

Massimo Banzi war Dozent am IDII (Interaction Design Institute Ivrea) und David Quartielles ein Mikrochip – Ingenieur aus Spanien. Im Winter 2005 trafen sich die beiden das erste mal. Quartielles war auf Grund eines Forschungsaufenthaltes am Institut in Ivrea. Sie sprachen darüber, dass viele Studenten andauernd klagen würden, dass es keine Microcontroller – Plattformen gäbe, die sie sich leisten können und zugleich einfach zu programmieren sind. So kamen sie auf die Idee ihr eigenes Design zu entwickeln, mit einer eigenen Programmiersprache die David Mellis entwickelte. Sie kamen zu dritt auf die Idee das Projekt nach der örtlichen Kneipe zu benennen.

Als sie den ersten Prototypen entwickelt hatten, fingen sie an mit 3.000 Euro eine Serie auch 200 Arduino Boards zu entwickeln. Von

den 200 Boards gingen 50 an das Institut und die restlichen wurden verkauft. Sie haben das Design ihres Boards unter einer sogenannten Creative – Commons – Lizens im Internet veröffentlich.  Die einzige Bedingung die die drei Männer bei der Veröffentlichung hatten war, dass sie den Namen ihres Projekts behalten wollen. Wer also etwas eigenes entwickelt musste sich noch einen passenden Namen dazu ausdenken. Mittlerweile wird die kleine aber dennoch international existierende Firma von dem Professor Tom Igoe gesponsert.

Die Philosophie

Das Arduino – Projekt wurde ursprünglich für Künstler und Designer entwickelt. Hierbei geht es nicht um das genaue durchplanen eines Projektes oder einer Programmierung, sondern eher darum sich selber auszuprobieren. Man sollte mehr Wert auf das Implementieren legen und nicht einen geraden Weg verfolgen, doch trotzdem soll man am Schluss zu einem gelungenen und funktionierenden Prototypen gelangen. Arduino ist wie ein Spiel, denn es soll im Endeffekt Spaß machen und aus diesem Grund sollte man ohne genaue Vorschriften oder eine strengen Plan arbeiten, und eher an seinen Projekten „basteln“. Es ist gerade für Anfänger sehr geeignet, da es dem Nutzer sehr einfach gemacht wird und man schnell an sein gewünschtes Ziel kommt, aber auch für Fortgeschrittene die sich in dem Gebiet gut auskennen soll es passend sein. Mit ihrem erweiterten Wissen haben sie die Möglichkeit, sich die Türen zu weiteren und komplizierteren Projekten zu öffnen. Im Vordergrund steht allerdings die Kreativität und die Nutzung von Technik. Meistens werden nur Shields zusammengesteckt und mit fertigen Programmteilen verbunden, sodass aus ihnen ein Ergebnis wird. Sozusagen könnte man das Arduino –  Projekt mit dem Naturphänomen der Emergenz vergleichen. Es ist also für die Projekte vorgesehen schon fertige Bauteile einfach zusammenzufügen und sie dann zu programmieren. Das kann man sogar mit normalen Haushaltsgeräten wie einem Handy oder anderen elektronischen „Spielzeugen“ aber auch mit schon bereits entworfenen Schaltungen durchführen. Doch im Vordergrund sollte immer der Spaß und die Entfaltung der Kreativität stehen.

Beispiel für ein Arduino – Projekt

Die Vielfallt der Arduino – Projekte ist keinesfalls zu übersehen. Angefangen bei der einfachen Lichtinstallation gibt es Projekte mit Gebrauchsgegenständen und diese Projekte führen sogar bis in die Robotik. Ich habe mir ein Projekt herausgesucht was ich für besonders spannend bzw. interessant empfinde und zwar ist es das Projekt „ Wundersame VGA  – Bilder“. Hierbei werden durch einfache Signalstörungen, verursacht durch Pins eines VGA – Kabels die an das Arduino Board angeschlossen sind,  Bilder auf einen Computer proiziert. Andere Kabel sind noch an einen anderen Laptop angeschlossen die für wiederrum andere Sequenzen sorgen. Damit könnte man sogar Visuelle Effekte erzeugen. Indem man die Farbkanäle bei einem anderen Monitor umdreht ist es auch möglich mehrere Bilder auf einmal anzuzeigen.

Informationen über das Arduino – Projekt

Man kann in vielen Stellen des Internets tausende von Codes und Schaltungen nachlesen, und es werden immer mehr denn seine drei „Erfinder“ haben dazu beigetragen das Arduino sich immer weiter vergrößert und verbessert mit jeder neuen Idee und jedem neuen Projekt was entsteht. Sie haben Arduino sozusagen zu einer riesigen internationalen Community gemacht in der sich Menschen über die Erfahrung, Ideen aber auch Entdeckungen austauschen.

Arduino hat zwei Bestandteile. Einmal sein Entwicklungsboard das die Hardware darstellt und seine Entwicklungsumgebung die bei einem normalen Laptop oder auch PC läuft und damit die Software bildet. Auf der Software werden alle Informationen aufgeschrieben und gespeichert und auf der Hardware dann letztendlich ausgeführt. Das Board kann Signale empfangen und verarbeiten aber auch zum Beispiel an Aktoren ausgeben. Das Board dient also als Schnittstelle von den Bytes zu den realen Dingen. Diese Dinge können zum Beispiel Lampen sein aber auch Motoren oder Handy Displays sind durchaus möglich. Man schreibt also im Endeffekt seine Anweisungen in der Software auf, das Board leitet sie entsprechend weiter und am Ende werden sie gespeichert und durchgeführt. Man kann das Gerät sowohl als eigenständiges Gerät verwenden, als auch mit dem Computer verbinden und so vielleicht andere Ergebnisse erzielen. In Verbinden mit dem Computer kann das Arduino – Board sogar Daten vor verarbeiten und es kann für Schnittstellen durch seine Tasten und Regler eingesetzt werden. Doch auch hier wird wieder viel Wert auf die eigene Kreativität und das eigene Verständnis gelegt. Arduino hat viele Vorteile. Zum Beispiel der das die Software andauernd weiterentwickelt wird durch diese Art riesige Community die sich dadurch gebildet hat und man so immer eine riesige  Auswahl an neuen Ideen und Anregungen im Internet vorfindet. Außerdem wurde das Projekt so entwickelt das du es mit jedem Programm (Sprich Windows etc.) verwenden kannst. Und das Programm wurde anfängerfreundlich entwickelt, sodass eigentlich jeder damit etwas anfangen kann, seien es Schüler, Künstler oder Fortgeschrittene in diesem Gebiet. Durch die Herangehensweise gibt Arduino sehr viel Freiraum sich zu entfalten und seiner Kreativität freien Lauf zu lassen.“

Teile aus der Hausarbeit von Sarah, 10b, 2014

1 Kommentar


  1. This experiment was inspired by a question in the Arduino forum where member twoll065 wanted to create a nautic card with lighthouses that blink with their proper timings.

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