Einführung des Themas 'Steuern mit dem Computer' im Technikunterricht an einer Hauptschule

  Studienseminar Siegburg Hausarbeit im Fach Technik  

Inhalt

1  Summary  2

2  Analyse der Ausgangssituation  3

2.1  Herausforderung Computer im Technikunterricht - Motivation für das Thema  3

2.2  Ziel des Vorhabens  3

2.3  Sachstruktur  4

2.4  Legitimation durch Richtlinien, Lehrpläne und Fachdidaktik  5

2.5  Aspekte der Motivation für die Schülerinnen und Schüler  6

2.6  Rahmenbedingungen  6

2.7  Finanzielle Herausforderung  6

2.8  Besondere Probleme des Vorhabens an der Hauptschule  8

3  Konzept und Umsetzung des Vorhabens  9

3.1  Planung und Durchführung des Gesamtvorhabens als Projekt  9

3.2  Beschaffung der notwendigen Hardware und Software  10

3.3  Lernziele des Gesamtvorhabens innerhalb der WPU-Gruppe  11

3.4  Inhalte des Unterrichtsvorhabens  12

3.5  Unterrichtsrelevante Voraussetzungen  13

3.6  Methodische Überlegungen  13

3.7  Aktueller Stand  16

3.8  Leistungsbewertung: Kriterien, Bewertungsformen  17

4  Evaluation der Pilotgruppe  19

4.1  Befragung der Schüler mit Hilfe eines Fragebogens  19

4.2  Einschätzung des unterrichtenden Lehrers  23

4.3  Kommentar des Fachbereichsleiters Technik  25

5  Ausblick auf die spätere Unterrichtsreihe  26

5.1  Planung der vorgesehenen Unterrichtsreihe  26

5.2  Zu schaffende Rahmenbedingungen  27

6  Schlussbetrachtung  29

7  Anhang  I

7.1  Literatur  I

7.2  Marktübersicht Computerinterfaces für Schulen  II

7.3  Beispiele für Aufgabenliste in der Projektphase  III

7.4  Flussdiagramm des Programms für eine Ampelschaltung mit RoboPro  IV

7.5  Beispiele für Arbeitsblätter zum leittextgestützten Lernen  V

7.6  Beispiele aus der technischen Dokumentation der Schüler  VIII

7.7  Versicherung  XII

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1 Summary

Es soll, zunächst für den Wahlpflichtunterricht (WPU) eine Unterrichtsreihe „Steuerung mit dem Computer“ für den Technikunterricht an der GHS Overath eingeführt werden, in welcher am Beispiel einer PC-Steuerung der Aufbau von computergesteuerten Systemen vermittelt wird.

Hierbei sind fachlich-inhaltlich folgende Bereiche Gegenstand:  Aufbau des Funktionsmodells einer Ampel als zu steuernde Einheit aus einfachen Teilen: Eine Konstruktionsaufgabe

 Verkabelung der Anschlüsse zwischen Computer-Interface und zu steuernder Einheit: Eine Fertigungsaufgabe aus dem Bereich Elektrotechnik-Steuerungstechnik  Programmierung eines Computers zur Ampelsteuerung mittels einer einfachen symbolischen Programmierung: Eine Konstruktionsaufgabe

 Realisierung von verschiedenen kleineren Steuerungsprojekten wie Lichtanlagen, Alarmanlage, Motorsteuerung mit dem Computer: Konstruktionsaufgaben Im Hinblick auf Methoden- und Sozialkompetenzen stehen folgende Bereiche im Vorder-grund:

 Förderung eigenverantwortlichen Arbeitens und der Kreativität  Erlernen von projektorientiertem und konzeptionellem Vorgehen  Stärkung sozialer Kompetenzen durch Teamarbeit

Um die genannten Ziele in der Umgebung einer Hauptschule umsetzen zu können, sollen geeignete Unterrichtsmethoden zur Anwendung kommen. Im vorliegenden Fall wurde ein zweigeteilter Ansatz mit in weiten Teilen projektorientierten und anderen Teilen leittextgestützten Methoden gewählt.

 Im projektorientierten Teil können die Schüler ¹ die notwendigen Aufgaben großenteils in arbeitsteiliger Gruppenarbeit durchführen. Hierdurch können die stark unterschiedlichen Neigungen und Fähigkeiten der Schüler berücksichtigt werden.  Im lehrgangsorientierten und leittextgestützten Teil wird die besondere Heraus-forderung „Umsetzung der Programmierung“ bewältigt. Hier wird auf ein einfach und intuitiv zu bedienendes System zurückgegriffen. Die notwendigen Kenntnisse werden in Lehrgangsform vermittelt. Hier kommt aber auch, um dem großen Differenzierungsbedarf Rechnung zu tragen, selbständiges Lernen mit der Leittextmethode zur Anwendung.

Ziel dieser Hausarbeit ist die Erstellung einer Konzeption sowie die Erprobung der Machbarkeit im Rahmen einer WPU-Gruppe, welche zum Zeitpunkt der Arbeit (Schuljahr 2004/2005) mit den o.g. Unterrichtsinhalten besteht. Eine Evaluation im Rahmen dieser Hausarbeit zeigt die Stärken und Schwächen des Konzeptes und Verbesserungsvorschläge für die weitere Umsetzung. Außerdem ist die Reihenplanung für eine Unterrichtsreihe zu diesem Thema im regulären Technikunterricht der Klasse 9 enthalten.

¹ Wenn hier von Schülern die Rede ist, sind selbstverständlich immer Schülerinnen und Schüler gemeint!

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2 Analyse der Ausgangssituation

2.1 Herausforderung Computer im Technikunterricht - Motivation für das Thema

Unsere moderne Umwelt ist heute nicht mehr ohne die Steuerungstechnik mit Hilfe des Computers denkbar. In technischen Anlagen der Industrie oder des Handwerks steuern Rechner Produktionsprozesse und Bearbeitungsmaschinen. Im Haushalt sind viele Dinge unseres technischen Lebens bereits eng mit dem Computer verquickt. So werden zum Beispiel moderne Haushaltsgeräte wie Wasch- und Spülmaschinen nicht mehr von mechanischen Schaltwalzen, sondern von Computern gesteuert. In der Verkehrsleittechnik hat der Computer längst Einzug gehalten. Ampelanlagen werden in Städten inzwischen über eine zentrale Leitstelle von Rechnern gesteuert. Hiermit kann verkehrs- und umweltbedingt auf viele Einflüsse reagiert werden. In den Fahrzeugen wird durch den Computer in Form von Mikrocontrollern bereits die komplette Motorsteuerung, aber auch die Sicherheitstechnik und der Komfort geregelt. Selbst neue Entwicklungen wie Navigations- und Abstandswarnsysteme sind dank Computereinsatz inzwischen für „Otto-Normalverbraucher“ erschwinglich. Auch in der Lebenswelt unserer Schüler hat der Computer einen festen Platz mit hohem Stellenwert eingenommen, dies sowohl im negativen wie im positiven Sinne. Sie verbringen einen großen Teil ihrer Freizeit mit diversen Medien, welche eine große Menge an Computertechnik beinhalten. Das Wissen um diese Technik, welches Bedienung und Anwendung für die eigenen Zwecke betrifft, ist in den meisten Fällen hoch. Dies erschließt sich meist intuitiv. Es fehlt jedoch oft ein Verständnis dafür, wie die Geräte intern aufgebaut sind, welche Vorgänge dafür sorgen, dass zum Beispiel ein Fahrradcomputer die Geschwindigkeit messen kann oder dass das Objektiv einer Digitalkamera aus- und einfahren kann oder auch, wie der eigene Spiele- PC intern aufgebaut ist. Aus der heutigen Berufswelt ist der Computer nicht mehr wegzudenken. Selbst für Schüler und Schülerinnen, welche nach dem Besuch der Hauptschule eher in handwerkliche oder Dienstleistungsberufe gehen werden, sind hier Kenntnisse unerlässlich.

Hier soll das Konzept ansetzen, den Computer in lebensnahen Anwendungen und mit einer für die Schüler überschaubaren Komplexität zu erfahren. Eine große Rolle spielt natürlich der Aspekt der Motivation oder sogar Faszination der Schüler durch das Medium Computer. Nicht zuletzt hat bei der Wahl des Themas eine Rolle gespielt, dass ich, bedingt durch meinen eigenen Berufsweg als ausgebildeter Diplomingenieur, Computersteuerungen entwickelt habe und einen kleinen Teil meiner Kenntnisse und Erfahrungen gerne an die Jugendlichen weitergeben möchte. Klar ist, dass hier eine erhebliche Reduzierung auf die für das Lebensumfeld und den späteren Beruf der Schüler notwendigen Inhalte erfolgen muss. Die Wahl auf eine WPU-Gruppe (Wahlpflichtgruppe) ist gefallen, da das Thema erhöhte An-forderungen an die Bereitschaft zum Lernen in technischen und komplexeren Zusammenhängen stellt. Dies ist sicherlich leichter in einer WPU-Gruppe umsetzbar, da hier die Teilnehmer den Kurs selber wählen.

2.2 Ziel des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist es, mit Hilfe einer Pilotgruppe WPU das Thema „Steuerungen mit dem Computer“ an unserer Hauptschule einzuführen. Die Pilotgruppe soll dabei erste Erfahrungen mit der Umsetzung des Themas sammeln. Diese Erfahrungen werden in einer Evaluation erhoben. Das daraus gewonnene Verbesserungspotenzial soll in die Einführung im Regelbetrieb einfließen. Der WPU-Kurs wird ggf. im kommenden Schuljahr weitergeführt. Vor allem aber soll das Thema in Form einer Unterrichtsreihe im verpflichtenden Technikunterricht der Klasse 9 aufgenommen werden und damit die bisherigen Reihen „Wir steuern mit dem Relais - Vom Handschalter zur Blinkschaltung“ sowie „Wir entwickeln und erproben Ampelprogramme“ ergänzen.

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2.4 Legitimation durch Richtlinien, Lehrpläne und Fachdidaktik

2.4.1 Richtlinien und Lehrplanbezug

Schon beim Studium der ersten Abschnitte der Richtlinien für das Fach Technik an der Hauptschule wird deutlich, dass sich durch das Thema eine Menge Chancen ergeben, die dort erhobenen Prinzipien des Lehrens und Lernens umzusetzen ² . Hier seien einige Aspekte herausgestellt, die dies belegen und die in der Umsetzung des projektorientierten Vorhabens „Steuerungen mit dem Computer“ eine große Rolle spielen. Erfahrungsorientierung: „..Viele Kenntnisse und Einsichten werden über Medien vermittelt,

Handlungsorientierung:„...Die Schule muss insbesondere dort handlungsorientierte Lehr- und

Gegenwarts- und

Zukunftsorientierung Kinder und Jugendlichen die in der Schule gewonnenen Erfahrungen, Kenntnisse und Fähigkeiten auch schon in der unmittelbaren Gegenwart Bedeutung erhalten...“

Der Lehrplan für das Fach Technik bietet hier sogar ausgearbeitete Empfehlungen für die Arbeit in den Jahrgangsstufen 9 und 10 in den Bereichen „Transport und Verkehr“ sowie „Information und Kommunikation“. Die dort ausgewiesenen Qualifikationen in Form von fachlichen und fachübergreifenden Zielen ³ können mit einigen Anpassungen für die vorliegende WPU-Gruppe Anwendung finden. Die dort vorgesehenen Lösungen für Rechnertechnik und Interface-System sind natürlich mit Rücksicht auf das Erscheinungsjahr 1989 veraltet und werden durch aktuelle Komponenten ersetzt. Hierzu wie auch zu den Zielen mehr in den nachfolgenden Abschnitten. (Siehe „3.2 Beschaffung der notwendigen Hardware und Software“)

Als Unterrichtsmethode für die Durchführung des Vorhabens empfiehlt sich nach dem Lehrplan die Projektform ⁴ . Sie ist immer da angebracht, wo „es um die Erarbeitung von komplexen, praxisbezogenen Aufgabenstellungen geht.“ Da die WPU-Gruppe über ein komplettes Schuljahr läuft, werden neben dem Projekt „Ampelsteuerung“ auch Lehrgänge eingeschoben, wenn es zum Beispiel um die Vermittlung von Kenntnissen in der Programmierung der Computer oder dem grundlegenden Aufbau einer Computerschnittstelle geht.

2.4.2 Bezug zum Standortplan

Der Standortplan unserer Schule sieht heute das Thema „Ampelsteuerungen“ im Technikunterricht sowie im WPU Unterricht der neunten Jahrgangsstufe vor. Bisher wurde hier für die technische Umsetzung ein Verfahren mittels selbst konstruierter mechanischer Schaltwalze verwendet. Hier ist sicher eine Erweiterung um die heute in der Technik gängigen Steuerungsverfahren sinnvoll. Dies bringt allerdings ein höheres Maß an Komplexität mit sich. Dem wird Rechnung getragen, indem das Vorhaben zunächst in einer WPU-Gruppe mit einer einjährigen Laufzeit erprobt wird. Bestimmte Elemente hieraus werden dann bei Erfolg auch in den regulären Technikunterricht der Klassen 9/10 übernommen.

² Vgl. Kultusminister NRW: Richtlinien Technik, Lernbereich Arbeitslehre - Hauptschule. Düsseldorf 1989 S.15-18

³ Vgl. Kultusminister NRW: Richtlinien Technik, Lernbereich Arbeitslehre - Hauptschule. Düsseldorf 1989 S.133 ff

⁴ Vgl. Kultusminister NRW: Richtlinien Technik, Lernbereich Arbeitslehre - Hauptschule. Düsseldorf 1989 S.66

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2.4.3 Was sagt die Fachliteratur?

In der Fachliteratur finden sich Vorschläge für die Umsetzung des Themas „Steuern mit dem PC“. Schmayl und Wilkening machen in ihrem Standardwerk einige Vorschläge für Anwendungen mit verschiedenen Schwierigkeitsgraden, welche dort auch als Unterrichtsmodelle ausgearbeitet sind ⁵ . Diese reichen von sehr einfachen Anwendungen wie dem Ansteuern einer einzelnen Reihe von Anzeige-LED´s, über Sieben-Segment-Anzeigen und Ampelanlagen bis hin zu einem Pneumatik-Roboter.

Auch hier gilt wie für die Lehrpläne, dass die vorgeschlagenen Lernziele und Unterrichtsformen sowie Unterrichtsmethoden weitgehend zur Anwendung kommen können. Hinsichtlich der Technik hat sich jedoch in den letzten Jahren nochmals ein signifikanter Innovationsschritt getan, so dass hier andere Programmiersprachen und andere Elektronik zum Einsatz kommen kann. Vorteil der jetzt aktuellen Systeme ist eine höhere Fehlertoleranz sowie eine eher intuitive Bedienung der Entwicklungssysteme, was gerade im Umfeld der Hauptschule von großem Vorteil ist.

2.5 Aspekte der Motivation für die Schülerinnen und Schüler

Fast jeder Schüler hat in der Klasse 9 einen Computer zu Hause oder hat zumindest schon umfangreich hiermit „Games“ erprobt. Wichtig ist hierbei, auch andere Anwendungen als die bekannten kennen zu lernen und zu wissen, wie diese funktionieren. Darüber hinaus ist sicher auch der Aspekt Faszination des Mediums im positiven Sinne zu sehen. Es ist in der Regel kein Problem, Schüler für ein fachliches Thema zu begeistern, wenn die Aufgabe handlungsorientiert ist und in Verbindung mit der Nutzung des Computers steht. Noch spannender wird es, wenn selber am Computer „geschraubt“ werden darf. Dies ist auch im Rahmen der Wartung der Informatikräume gemeinsam mit Schülern immer wieder aufgefallen.

2.6 Rahmenbedingungen

Für die Arbeit mit technischen Systemen wird ein Technikraum mit den notwendigen Werkzeugen und einer passenden Arbeitsumgebung benötigt, welche den Sicherheitsanforderungen entsprechen muss. Dies ist an unserer Schule vorhanden. Die Ausrüstung ist nicht mehr neu, jedoch fachlich auf einem hohen Qualitätsstandard. Für die Arbeit mit Computern werden Computer benötigt, vorzugsweise zeitgemäße Rechner mit einer aktuellen Betriebssystemversion. Diese sind ebenfalls an unserer Schule vorhanden, jedoch zwei Stockwerke höher als der Technikraum.

Durch diese Randbedingungen ergab sich die Notwendigkeit, die Arbeitsphasen so aufzuteilen, dass die vollständige Gruppe entweder im Technikraum oder im Computerraum arbeitet. Eine Aufteilung der Gruppe wäre aus Aufsichtsgründen nicht möglich. Dieses Problem wurde gelöst, indem für die erste vorwiegend technisch orientierte Projektphase (im ersten Halbjahr) der Technikraum und für die vorwiegend computerorientierten Arbeitsphasen (im zweiten Halbjahr) der Computerraum genutzt wurde. Hierdurch bedingt musste allerdings der Technikraum um 2 Computerarbeitsplätze erweitert werden, welche im Rahmen einer Modernisierung der Schulcomputer beschafft werden konnten. Hierfür waren kleinere Umbauarbeiten im Technikraum notwendig. Die Verfügbarkeit der beiden Computer hat sich jedoch nicht nur im Rahmen der WPU-Gruppe, sondern auch im sonstigen Technikunterricht schon positiv ausgewirkt.

2.7 Finanzielle Herausforderung

Für die computerorientierte Arbeitsphase im zweiten Halbjahr war in jedem Fall mindestens ein Computerinterface für eine Arbeitsgruppe notwendig. Außerdem wurde eine schülergerechte Entwicklungsumgebung für die Programmierung benötigt. Diese Anschaffung musste frühzeitig im Haushaltsbudget der Schule beantragt und argumentativ unterstützt werden. Da

⁵ Vgl. Schmayl/Wilkening: Unterrichtsmodelle - Technikunterricht, Bad Heilbrunn (Klinkhardt) 1995 S.224ff.

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dies gelang, konnten (mit einer weiteren kleinen Unterstützung des Fördervereins) zum Projektbeginn 10 neue Interfaces der Firma Fischertechnik sowie die komplett neu entwickelte Software RoboPro bestellt werden. Hierdurch war die WPU-Gruppe für das Vorhaben hinreichend mit der notwendigen Technik ausgestattet. Kleinmaterial wie Leitungen, Lampen etc. wurden aus dem laufenden Technik-Etat beschafft.

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2.8 Besondere Probleme des Vorhabens an der Hauptschule

Wer schon einmal versucht hat, ein komplexes Thema im Unterricht an einer Hauptschule umzusetzen, kennt sicher die Grenzen, welche sich auftun, wenn das Vorhaben nicht der Schulform angepasst umgesetzt wird. Bei einer kurzen Recherche im Internet, in den Angeboten von Fortbildungsforen für Lehrer findet sich inzwischen eine große Zahl von Beiträgen zur Anwendung von Computersteuerungen im Informatikunterricht. Hier ist als Beispiel das Projekt Roberta ⁶ des Fraunhofer Instituts zu nennen. Es hat zum Ziel, das Interesse für Computer- und Robotertechnik vor allem bei Mädchen und jungen Frauen zu wecken und zu fördern. Aber: Dieses und auch viele andere Projekte haben stark Gymnasien, Oberstufen und Berufskollegs im Fokus.

Welche Randbedingungen müssen nun beachtet werden, damit auch Hauptschüler adäquat in die Arbeit mit dem Computer als Steuerungsinstrument einbezogen werden können? Zugang für Hauptschüler schaffen: Hier ist zunächst der Zugang zur Lebenswirklichkeit der Schülerinnen und Schüler zu nennen. Wichtig ist, dass hier handlungsorientierte Ansätze im Vordergrund stehen müssen. Die Theorie objektorientierter Softwareentwicklungsmethoden und allzu hoch gegriffene Ziele wie vielleicht die Entwicklung eines eigenen kompletten Roboters sollen zu Gunsten einer praktischen und vor allem ergebnisorientierten Vorgehensweise zurücktreten. Die Schülerinnen und Schüler kennen „Klick and go“ aus der Welt der Handys und Computerspiele. Auf ähnliche Weise kann durch die einfache Bedienung moderner Programmiersysteme und den direkt sichtbaren Erfolg Begeisterung für das Thema geweckt und ein Zugang geschaffen werden. Hierdurch kann eine große Zahl von Inhalten wie Technik der Schnittstellen, Programmierung usw. transportiert werden. Reduzierung der Inhalte: Was schon für den Zugang zum Thema Computersteuerung gilt, ist für die weitere Umsetzung ebenso verpflichtend. Das Thema an sich bietet eine Vielzahl an Teilgebieten, welche weitaus mehr als ein komplettes Schuljahr ausfüllen könnten. Hier muss eine Reduzierung auf exemplarische Inhalte stattfinden. Hier wird auf solche Inhalte reduziert, welche nah am Berufsleben im handwerklichtechnischen Bereich oder auch am Freizeitbereich orientiert sind. Zum Beispiel wird ein Mechaniker im KFZ Bereich einzelne Baugruppen in der Elektronik eines Motors erkennen und deren Funktion prüfen müssen. Er wird aber die Baugruppe nicht in ihrer internen Wirkungsweise untersuchen oder gar reparieren. In diesem Sinne soll z.B. die Schnittstelle (Interface) zwischen Computer und einer Ampel als festes Modul mit seinen Funktionen, aber ohne tiefere Behandlung der internen Funktion, in den Unterricht einbezogen werden. Differenzierung ist elementar: In der neunten Jahrgangsstufe, in deren Bereich der Wahlpflichtunterricht fällt, muss eine breite Differenzierungsspanne abgedeckt werden. Zum Wahlpflichtkurs melden sich die Schüler größtenteils nach eigener Interessenlage, manchmal auch nach Interessen von Cliquen oder Freundschaften. Die individuellen Kenntnisse und Kompetenzen sind sehr breit gestreut. Es finden sich in den Gruppen sowohl Schüler aus dem Kreis der „10B Kandidaten“ und Wechsler aus der Realschule, als auch Schüler aus dem deutlich unteren Leistungsspektrum, welche voraussichtlich die Hauptschule nach der neunten Klasse verlassen werden. Außerdem finden sich teils bereits aufeinander eingespielte Gruppen (aus einer Klasse), als auch Einzelgänger im WPU Kurs wieder. Dies alles bringt die Notwendigkeit einer extrem starken Binnendifferenzierung mit sich. Hierauf wurde mit verschiedenen Konsequenzen reagiert (siehe 3.6.1 Faktoren für die Auswahl der Unterrichtsmethoden).

⁶ Vgl. Projekt Roberta des Fraunhofer Instituts - Homepage:

http://alex.ais.fraunhofer.de/zeno/web?action=content&rootid=15465 Wissenschaftliche Begleitung durch die Uni-Bremen - Homepage : http://didaktik.physik.uni-bremen.de/niedderer/roberta/

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