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Mikrocontroller imInformatikunterricht
Einstieg in dieInformatik
DidaktischeAspekte Informatikmittel
DIDAKTIKDER
INFORMATIK
Informatik ohneInformatik-systeme
InformatischeModellierung
TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-1
Seminar 2Mikrocontroller im Informatikunterrichtmit Calliope mini als Werkzeug Frederik SteingansSeminar Didaktik der Informatik vom 23. Oktober 2017
Version: 1e95b7dStand: 02. November 2017 08:46Zuletzt bearbeitet von: Frederik SteingansLizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de – cbea
Fachgebiet Didaktik der InformatikBergische Universität Wuppertal
cbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •
Mikrocontroller imInformatikunterricht
Einstieg in dieInformatik
DidaktischeAspekte Informatikmittel
DIDAKTIKDER
INFORMATIK
Informatik ohneInformatik-systeme
InformatischeModellierung
TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-2
Kompetenzen – Seminar 2
1 definieren Mikrocontroller und ordnen sie auf Basis dertechnischen Inforamtik ein
2 kennen verschiedene Mikrocontroller und verstehen ihreunterschiedlichen Funktionen
3 begründen den Einsatz von Calliope mini alsUnterrichtsgegenstand und Werkzeug
4 bedienen eigenständig die Arbeitsumgebung für Calliope miniund erstellen ein erstes Programm
5 kennen ausgearbeitete Unterrichtsbeispiele6 bewerten unter fachdidaktischer Perspektive die Vor- und
Nachteile, die Mikrocontroller im Unterricht erbringen können
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Einstieg in dieInformatik
DidaktischeAspekte Informatikmittel
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Informatik ohneInformatik-systeme
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MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-3
Gliederung – Seminar 2
1 Mikrocontroller im AlltagAlltagsgegenständeDefinitionEigenschaftenVarianten
2 UnterrichtseinsatzArgumenteProgrammierung
3 EinordnungRealschuleGrundschule
4 Lernmodul
5 Diskussion
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Mikrocontroller imInformatikunterricht
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MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-4
Mikrocontroller im AlltagWir benutzen nahezu täglich und ganz selbstverständlich Dinge,die verschiedenste Arten von Mikrocontroller enthalten.
• Mobiltelefon• Fernseher• Drucker• Waschmaschine• Kraftfahrzeug• ...
Abbildung: alltägliche Gegenstände mit Mikrocontrollern
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MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-5
Definition von Mikrocontrollern
Mikrocontroller sind Ein-Chip-Systeme (auch: System-on-a-Chip),die wie Computer aufgebaut sind. Sie bestehen daher aus:
• Prozessor• Ein- und Ausgabeeinheit• Arbeitsspeicher• Programmspeicher• weitere Schnittstellen
Zumeist basieren sie auf der Harvard-Architektur, aber auch aufder Von-Neumann-Architektur (vgl. Jesse 2014, S. 547).
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Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-6
Eigenschaften eines Mikrocontrollers
Mikrocontroller sind vollständige Informatiksysteme. Abhängig vonihrem Einsatzzweck zeichnen sie sich durch folgende Eigenschaftenaus:
• kaum Platzbedarf• geringe Taktfrequenz• wenig Arbeitsspeicher• niedriger Energiebedarf• minimale Abwärme
Aufgabe
Wählen Sie ein Gerät, das über einen Mikrocontroller verfügt undnennen Sie Eigenschaften, die ihn für dieses Gerät auszeichnen.
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MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-7
Varianten von Mikrocontrollern
Bekannte Mikrocontroller• Raspberry Pi• Arduino• Calliope mini• Micro:Bit• ...
Abbildung: B-O-B-3, Calliope mini, Arduino Uno, und Micro:Bit
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MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-8
Raspberry Pi• Größe einer Chipkarte• Leistung höher als bei anderen Mikrocontrollern• Betriebssystem mit grafischer Oberfläche nutzbar• HDMI-Anschluss vorhanden• Aufgabenbereich ähnlich eines Desktop-PCs• Erweiterung durch Sensoren etc. möglich• Einschränkungen im mobilen Einsatz
Abbildung: Raspberry Pi im Vergleich mit einem Studierendenausweis
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Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-9
Arduino
• je nach Ausführungen nicht größer als ein Raspberry Pi• auf andere Systeme angewiesen• erweiterbar durch Sensoren etc.• geringer Energieverbrauch
Abbildung: Arduino Uno
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Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-10
Calliope mini - 1Beruht auf dem BBC Micro:Bit, jedoch umfangreicher und speziellfür Schulen benutzerfreundlicher gestaltet.
Gemeinsamkeiten:• Knöpfe und Pins programmierbar• Kommunikation und Programmierung über Micro-USB undBluetooth
• LED-Matrix• Kompass, Beschleunigungs-, Licht- und Temperatursensor• Betrieb mit Batterie möglich
Abbildung: Micro:Bit und Calliope minicbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •
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Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-11
Calliope mini - 2zusätzliche Spezifikationen von Calliope mini:
• Aufbau sternförmig und handtellergroß• Erweiterung mittels Grove-Anschluss• RGB-LED• Lautsprecher und Mikrofon• Bewegungssensor• Motoranschluss
Abbildung: Calliope minicbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •
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TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-12
Argumente für Mikrocontroller im Unterricht - 1
Haben wir Ahnung von Informatiksystemen?• tägliche Bedienung von Informatiksystemen selbstverständlich• selbst Kleinkinder erlernen den Umgang mit Tablets etc.• viele Berufe erwarten Kenntnisse in »Büroanwendungen«
Anmerkung
Ein Informatiksystem bedienen zu können bedeutet nicht,aufgrund dessen seine Funktion verstanden zu haben.
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TechnischeInformatik
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Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-13
Argumente für Mikrocontroller im Unterricht - 2
• Einblick in ein Informatiksystem• Informatik wird »anfassbar«• Programmierfähigkeiten erlernen• Test von Programmen auf Mikrocontroller direkt durchführbar• Entwicklung eigener Ideen durch Schülerinnen und Schüler• Arbeit auch zu hause möglich
Abbildung: Stromkreis mit Calliope mini
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Mikrocontroller imInformatikunterricht
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DidaktischeAspekte Informatikmittel
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Informatik ohneInformatik-systeme
InformatischeModellierung
TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-14
Programme erstellen für Calliope mini
• Programmierumgebungen cloudbasiert und lokal verfügbar• Programmierung mit PC, Tablet, Smartphone etc. möglich• Programme ohne grafische Oberfläche realisierbar• Steckprinzip der Editoren einfach zu erlernen• Konzept speziell für Kinder und Jugendliche entwickelt
start
zeige LEDs
zeige LEDs
zeige LEDs
zeige LEDs
zeige LEDs
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Informatik ohneInformatik-systeme
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Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-15
Programme erstellen für Calliope mini
Arbeitsauftrag
Erstellen Sie ein Programm, um die Keksdose zu überwachen.Wählen Sie dafür den PXT-Editor auf der Webseite
https://calliope.cc/editor
und führen Sie es anschließend vor. Sie haben 30 Minuten Zeit.
cbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •
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Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-16
Einordnung im (Informatik-)UnterrichtKernlehrplan für das Wahlpflichtfach Informatik an Realschulen inNRW, erst ab der 7. Klasse vorgesehen.
Abbildung: Kompetenzbereiche und Inhaltsfelder
(vgl. MSW-NW 2015, S. 15)cbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •
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DIDAKTIKDER
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Informatik ohneInformatik-systeme
InformatischeModellierung
TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-17
Einordnung im (Informatik-)Unterricht
Mikrocontroller sollten aufgrund ihrer einfachen Handhabbarkeitjedoch auch viel früher eingesetzt werden.
• »Ein Unterricht zur informatischen Bildung trägt dazu bei,Informatiksysteme sachgerecht und zielgerichtet,verantwortungs- und sinnvoll einzusetzen[...]«(vgl. gi 2017,S. 7).
• »Bereits im Primarbereich werden Geschlechterstereotypeaufgebaut, die beispielsweise das Interesse von jungen Frauenan einem Beruf im weiten Feld der Informatik gegen Nullgehen lassen«(vgl. gi 2017, S. 4).
cbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •
Mikrocontroller imInformatikunterricht
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Informatik ohneInformatik-systeme
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TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-18
Projekt Zimmerpflanzen pflegen
Eine weitere Möglichkeit bieten fächerübergreifende Projekte, indenen sich Schülerinnen und Schüler Wissen teilweise selbstständiganeignen. Lernmodule sollen hierbei unterstützend wirken.
Abbildung: Lernmodul mit Calliope mini
Weitere Materialien für den Informatikunterricht abrufbar unter:
https://ddi.uni-wuppertal.de/material/calliope.html
cbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •
Mikrocontroller imInformatikunterricht
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Informatik ohneInformatik-systeme
InformatischeModellierung
TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-19
Diskussionsrunde
Aufgabe
Diskutieren Sie zunächst in Partnerarbeit über die folgendenFragen und stellen Sie Ihre Argumente anschließend vor.Sie haben hierfür 10 Minuten Zeit.
• Wie sehen Sie den Einsatz von Mikrocontrollern im(Informatik-) Unterricht?
• Haben diese Ihrer Ansicht nach eventuell auch Nachteile?• Sollten diese schon in der Grundschule eingeführt werden?
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Mikrocontroller imInformatikunterricht
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DidaktischeAspekte Informatikmittel
DIDAKTIKDER
INFORMATIK
Informatik ohneInformatik-systeme
InformatischeModellierung
TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-20
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
cbea • Version: 1e95b7d • letzte Änderung: 02. November 2017 08:46 •
Mikrocontroller imInformatikunterricht
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Informatik ohneInformatik-systeme
InformatischeModellierung
TechnischeInformatik
MikrocontrollerAlltagsgegenstände
Definition
Eigenschaften
Varianten
UnterrichtseinsatzArgumente
Programmierung
EinordnungRealschule
Grundschule
Lernmodul
Diskussion
Literatur
2-21
Literatur für das Seminar I
gi (2017). Kompetenzen für informatische Bildung imPrimarbereich. Erarbeitet vom Arbeitskreis »BildungsstandardsInformatik im Primarbereich« – am 13. September 2017verabschiedet vom Fachausschuss Informatische Bildung inSchulen (FA IBS) der Gesellschaft für Informatik (gi) e. V. url:http://metager.to/gibsppdf (besucht am 08. 10. 2017).
Jesse, Ralf (2014). »ARM Cortex-M3 Mikrocontroller : Einstiegund Praxis«. In: 1. Aufl. Heidelberg ; München ; Landsberg ;Frechen ; Hamburg: mitp, S. 547.
MSW-NW (2015). Kernlehrplan für die Realschule inNordrhein-Westfalen – Wahlpflichtfach Informatik. Heft 33191.url: http://metager.to/1mawu (besucht am 20. 05. 2017).
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