Projektkurs Physik-Informatik

Seit dem Schuljahr 2011/2012 bietet das Helmholtz Gymnasium Projektkurse für Schüler der Jahrgangsstufe Q1 an. In diesem Artikel wird der im Fächerverbund Physik & Informatik organi­sierten Projektkurs "Elektronische Schaltungen mit einem Mikrocontroller" vorgestellt.

 

Was ist ein Projektkurs?

Der Projektkurs ist ein Kursformat, das zusätzlich zu den Grund- und Leis­tungs­kursen in der Jahrgangsstufe Q1 eingeführt wurde. Es handelt sich dabei um einen einjährigen Kurs mit zwei Unterrichtsstunden pro Woche, der von Schülern ergänzend zu ihren sonstigen Kursen angewählt wer­den kann (aber nicht muss). In diesem Fall ersetzt der Pro­jektkurs die Facharbeit. Ein Pro­jektkurs soll so angelegt sein, dass sich die Schüler – bezogen auf ein Rah­menthema – individuellen Vorha­ben widmen können, die sie weitgehend selbstständig planen und an denen sie möglichst eigenständig „pro­jektartig“ arbeiten. Das Rahmenthema des Projektkurses muss nicht unmittelbar an die Unterrichtsthemen des zugeordneten Faches anschließen. Am Ende des Projektkurses steht ein „Produkt“, das die Schüler wäh­rend des einen Jahres er­stellt haben. Dieses Produkt und die Mitarbeit im Kurs fließen in eine Ab­schlussnote ein.

 

Wieso Elektronik?

Kenntnisse über elektronische Bauteile, ebenso wie das Planen und Erstellen elektroni­scher Schaltungen, sind von hoher Bedeutung in den Wissenschaften Physik und Informatik, ebenso wie in vielen technischen Berufen. In den Lehrplänen der beiden Schulfächer ist dieses Thema hingegen eher unter­repräsen­tiert. Da die Auseinandersetzung mit Elektronik großen Spaß macht und viele Anlässe für Expe­ri­mente und selbstständiges Bauen (und Basteln) bietet, ist sie als Thema eines Projektkurses sehr geeig­net. Der Projektkurs gliedert sich über das Schuljahr hinweg grob in zwei Phasen.

 

Phase 1:  Ein Elektronik-Lehrgang

In der ersten Phase (was ungefähr dem ersten Halbjahr entspricht) werden aus Sicht des Faches Physik die folgenden Inhalte behandelt:

  1.  Strom begrenzen - Widerstände
  2.  Ladung speichern - Kondensatoren
  3.  5 Volt bitte! - Spannungsregler
  4.  Strom-Einbahnstraße - Dioden
  5.  Schalter & Verstärker - Transistoren
  6.  So arbeiten Computer - Digitaltechnik
  7.  Zeitmessung – der IC ‚NE-555‘

Die Schüler erarbeiten dabei weitestgehend selbstständig in kleinen Gruppen und mit vorbereiteten Materia­lien die theoretischen Grundlagen und führen darauf abgestimmte Experimente durch.

 

Phase 2:  Mit dem Mikrocontroller arbeiten

In der zweiten Phase lernen die Schüler aus Sicht des Faches Informatik einen Mikrocontroller kennen, ein „Ein-Chip-Computersystem“, das in fast allen elektronischen Geräten unseres Alltags anzutreffen ist (Waschmaschine, Auto, Handy, DVD-Player, …). Solche Systeme sind sehr leistungsfähig, dabei aber oft erstaunlich preiswert (das im Kurs eingesetzte Modell, der PIC 16F690® der Firma Microchip, kostet etwa 2 € [Stand 2018]). In Phase 2 lernen die Schüler den Aufbau, die Funktions­weise und die Programmierung eines Mikro­controllers in der Programmiersprache C kennen und löten selber eine Platine, mit deren Hilfe sie ihre Experimente und Programmierübungen durchführen (das Foto zeigt die fertige Platine). Wieder in Form eines Lehrganges werden die folgenden Themen behandelt:

  1.  Löten der Experimentierplatine
  2.  Der Mikrocontroller bekommt einen Bildschirm - Ausgaben auf dem LCD
  3.  Eine Leuchtdiode ansteuern
  4.  Einen Taster abfragen
  5.  Zwei Dinge gleichzeitig machen - Interrupts
  6.  Etwas periodisch wiederholen - Verwendung eines Timers
  7.  Wir bauen einen Spannungsmesser (Analog-Digital-Wandlung)
  8.  Wir bauen ein Helligkeitsmessgerät
  9.  Wir bauen ein Digital-Thermometer (selbstständiges Projekt)

Den Abschluss der zweiten Phase bildet ein Abschlussprojekt, in dem die Schüler selbstständig eine kleine Schaltung mit einem Mikrocontroller entwerfen, aufbauen, programmieren und dokumentieren.  Aus den Erfahrungen der letzten Durchgänge kann es sich dabei auch um die Erweiterung eines bestehenden Projekts handeln (wie der Lektion 9) - je nach Interesse und Arbeitstempo.

Hinweis: Die für die zweite Phase entstehenden Kosten für die elektronischen Bauteile (die die Schüler nach Abschluss des Projektkurses behalten), belaufen sich auf knapp 20 € (Stand 2018).

Weitergehende Fragen zum Projektkurs beantwortet gerne: Kristian Dopheide