Mikrocontroller: Physical Computing im Unterricht

 

1.) BBC micro:bit und Calliope mini - ein Vergleich zwischen den beiden fast funktionsgleichen Alternativen

 

Erfahrungen aus der Unterrichtspraxis

zu Elektronik und der Interaktion von Kleincomputern mit der realen Welt

 



Unser Poster auf dem Bundeskongress der MNU
(Höhere Auflösung: Klick ins Bild!)
 

Beide Mikrocontroller zeichnet aus, dass sie im Gegensatz zu mehr technischen Modellen wie dem Arduino sehr kind- und schulgemäß ausgelegt sind und viele Zusatzhardware eingebaut haben. Beide verfügen über eine 5x5-LED-Matrix, ein Bluetooth- und Funkmodul, Sensoren für Temperatur, Beschleunigung (3D), Helligkeit, zwei Tasten, Kompass, I²C-Anschluss etc. Dies genügt sowohl beim einen als auch beim anderen bei weitem, um Unterricht abwechslungsreich und motivierend zu gestalten. Noch drei Teile mehr sind auf dem Calliope verbaut, dafür hat der micro:bit eine Klemmoption für Kopfhörer.

Zu beiden gibt es eine Fülle an Lehrmaterial für verschiedene Altersstufen, das meist zwischen ihnen übertragbar ist: Zum BBC micro:bit, weil er im englischen Bildungssystem weit verbreitet ist. Er war die in den wesentlichen Punkten eins zu eins übernommene Vorlage für die deutsche Nachentwicklung des Calliope mini. Zu letzterem wird zunehmend mehr deutschsprachiges Material angeboten, denn Dank des kommerziellen Interesses der Firma Cornelsen ist der deutlich teurere Calliope hierzulande sehr stark in den Vordergrund gerückt. So ist es gelungen, ihn in der Didaktik oft als alternativlos erscheinen zu lassen.

Der für die Schule relevante Unterschied zwischen beiden Mikrocontrollern ist die Anordnung der Kontakte: Beim Calliope liegen sie räumlich weit getrennt an den sechs Spitzen seiner Sternform. Damit sind sie auch für motorisch weniger entwickelte Grundschülerhände einfach und trennsicher zu erreichen. Dagegen verfügt die Kontaktleiste des micro:bit über wesentlich mehr Anschlüsse, dabei auch hier großformatige für Krokodilklemmen und 4 mm-Laborstecker. Um die bei ihm zusätzlich vorhandenen 20 schmaleren als Ein- und Ausgänge zu nützen, schiebt man die Leiste einfach in den zugehörigen Platinenstecker (z.B. Edge Connector oder Dragon Tail) und baut auf einem Steckbrett weiter. So eröffnet sich Schülern ab der Mittelstufe die faszinierende Welt des Elektronikbauens (-> Lehrplan Ph 9.4). Beim Calliope lässt sich zu diesem Zweck mit etwas Erfahrung im Löten eine Buchsenleise mit 2x13 Pins auf die Lötaugen basteln.

Vorteilhaft am Calliope ist das weiße, große Beschriftungsfeld für Schülernamen auf der Rückseite. Beim micro:bit liegt es kleiner und leider dunkel hinterlegt auf der Vorderseite rechts oben, besser für einen Namensaufkleber geeignet.

Den microbit gibt es für ca. 17 Euro, für ihn ist eine Menge packender Erweiterungen erhältlich. Der Calliope kostet ca. 35 Euro. Vielleicht wird auch für ihn irgendwann noch mehr Zubehör entwickelt. Die Preise gelten jeweils mit Batteriekasten und USB-Kabel im März 2019 und ohne Versand; beim Bestellen eines Klassensatzes relativiert sich der ohnehin.


Calliope ist auch kindgemäß

micro:bit mit Farb-LED-Ring

micro:bit mit Platinenstecker und Steckbrett

  

2.) Vergleich zwischen drei möglichen blockbasierten Programmierumgebungen

 

Alle drei sind für den BBC-micro:bit und den Calliope mini (und ggf. noch andere Mikrocontroller) ausgelegt; sie zeigen bei beiden jeweils die gleichen Funktionalitäten bzw. Unzulänglichkeiten. Hier die wichtigsten:

 

 

- Zur Nebenläufigkeit

 

Beispiel:

Durch einen Tastendruck werde vom laufenden Hauptprogramm in ein anderes Programm umgeschaltet.

 

a) Problem bei MakeCode:

Visuelle Ausgaben im Hauptprogramm (also Anzeige-Anweisungen in der dauerhaft-Schleife) führen dazu, dass Ereignisse wie etwa ein Tastendruck kaum mehr registriert werden. In den publizierten Beispielprogrammen wird dieses Problem meist geschickt umschifft, in eigenständigen Schülerarbeiten kommt es dafür um so mehr zum Vorschein!

 

b) Fehlt bei Open Roberta:

Nebenläufigkeit im eigentlichen Sinne ist hier überhaupt nicht möglich, da ein sequentielles Programm geschrieben wird, statt auf die bewährten ereignisgesteuerten Konzepte von Scratch und Snap! zurückzugreifen.

 

c) Erfolgreiche Umsetzung bei microBlocks:

Hier funktioniert sie, es gibt explizite Befehle zum Synchronisieren der Nebenläufigkeit (broadcast-Anweisung). Die Programmierumgebung wird gegenwärtig noch weiterentwickelt - vor allem in Richtung Ästhetik ist das tatsächlich noch möglich und wünschenswert.

 

- Zur Geschwindigkeit

 

Die Umsetzung mit MakeCode und Open Roberta erfolgt derart langsam, dass das grundlegende Verfahren der Pulsweitenmodulation (PWM, z.B. zum Einstellen der Helligkeit einer LED) nur vorgefertigt, aber nicht im von Schülern geschriebenen Programm simuliert werden kann. Bei MakeCode klappt die selbst programmierte PWM einwandfrei.

  

3.) Unterrichtsmaterial und weiterführende Informationen

 

 

4.) Angebotene Beiträge für den Bundeskongress der MNU 2019 in Hannover

 

a) Workshop (abgelehnt, weil Raum geschaffen werden sollte für die Hälfte der Beiträge von Referenten aus Hannover):

 

Mit Mikrocontrollern Elektronik und Programmieren lernen

 

Mikrocontroller sind kostengünstige Kleincomputer, die heutzutage in vielen elektronischen Geräten eingebaut sind. Der BBC micro:bit (im Wesentlichen funktionsgleich mit dem deutlich teureren Calliope mini) wurde für Schulen entwickelt. Verschiedene nette Elemente wie 5x5-LED-Matrix, 3D-Beschleunigungssensor, Kompass, Bluetooth etc. sind dort bereits direkt eingebaut. Eine unbegrenzte Fülle an Möglichkeiten bieten jedoch die Ein- und Ausgabepins: Hier können Schülerinnen und Schüler ihren Mikrocontroller mit zusätzlichen, sehr günstigen Elektronikbauteilen so erweitern und programmieren, dass er vielerlei Signale aus der Umgebung aufnimmt und gewünschte Aktionen ausführt.

Im Workshop vollziehen wir eine in Wahlkursen der Unterstufe und im Physikunterricht der Mittelstufe erprobte Unterrichtssequenz. Sie führt blockbasiert ins strukturierte Programmieren ein und erklärt den Gebrauch elektronischer Komponenten wie LEDs, Spannungsteiler, LDRs, evtl. Transistoren, Kondensatoren, Motoren und anderes. Die Lernziele werden kindgerecht motiviert durch Kleinprojekte wie Alarmanlage, Lichtschranke, Farbmischer, Jukebox oder mobile Robotik, allesamt mit der Option auf eine implementierte Funkfernsteuerung.

Die passende Programmierumgebung läuft im Browser, der Mikrocontroller wird über USB angeschlossen, deswegen bringen Sie zum Workshop bitte möglichst ein Laptop mit.

 

b) Poster  (Ausführung siehe oben):

 

Vergleich von Mikrocontrollern mit integrierter Hardware aus unterrichtspraktischer Sicht

 

Mikrocontroller sind kostengünstige Kleincomputer, die unseren Alltag in vielen elektronischen Geräten, vom Kaffeeautomaten bis hin zur SmartHome-Steuerung, nachhaltig verändern. Auch Schülerinnen und Schüler können speziell für den Unterricht entwickelte Mikrocontroller mit zusätzlichen Elektronikkomponenten erweitern und so konfigurieren, dass sie allerlei Signale aus der Umgebung aufnehmen und gewünschte Aktionen ausführen.

Relativ neu auf den Markt sind Mikrocontroller für den Unterricht, die bereits im Auslieferungszustand über integrierte Hardware, wie eine LED-Matrix, ein RF-Funkmodul oder einen Temperatursensor, verfügen: Ein teils nicht-triviales Anschließen von Komponenten entfällt somit in den Anfangsstunden. Dadurch eignen sich diese besonders für Einführungsstunden oder kurze Unterrichtsreihen zur Mikroelektronik – oder auch den Informatikunterricht, da der Fokus von der elektronischen Komponente hin zur logischen Programmsteuerung in gewissen Maße verlegt werden kann.

Auf unserem Poster werden aus einer unterrichtspraktischen Perspektive zwei beliebte Mikrocontroller mit integrierter Hardware, der BBC micro:bit und der Calliope mini, sowie eine Auswahl an zugehörigen Programmierumgebungen verglichen.


Roboter steuern, Anschluss an Fischertechnik etc. geht mit beiden.