Eckdaten
Ziel des Projekts: Einführung in die Verwendung von Arduinos bzw. eines 3D-Modellierungsprogramms, um anschließend arbeitsteilig an der Realisierung eines Modellflughafens zu arbeiten
verwendete Technologien
und Werkzeuge:
  • Arduino Unos für die Beleuchtung
  • Raspberry Pi zum Abspielen von Flughafen-Geräuschen
  • LEDs mit den Arduinos über Klingeldraht verbunden (Lüsterklemmen, Lötkolben)
  • 3D-Drucker
  • Lasercutter aus einem FabLab (die Hauptgebäude des Flughafens sind vorab ausgeschnitten worden)
Altersgruppe der Teilnehmenden: Projektverantwortliche: 17-18 Jahre
Teilnehmende: 13-17 Jahre
Kontext der Umsetzung: Projektwoche
Zeitrahmen: 25 Std. (5 Tage mit jeweils 5 Std.)

Projektbeschreibung

3D-Druck und Mikrocontroller-Programmierung wollten wir in einem Projekt miteinander kombinieren. Als das Thema der Projektwoche – „Fliegen“ – bekannt gegeben wurde, war schnell klar: Wir wollen einen Flughafen im Modellbaumaßstab 1:185 nachbauen. Möglichst viele Teile sollten mit einem 3D-Drucker gefertigt werden und Mikrocontroller (Arduinos) ihn anschließend zum Leben erwecken. Zunächst planten wir den Nachbau des noch nicht fertiggestellten Berliner Großstadtflughafens BER, jedoch ließen die Größenverhältnisse einen Nachbau auf 1,8 qm nicht zu. Wir entschieden uns für den alten Flughafen Schönefeld SXF. Beim gewählten Maßstab hat das Terminalgebäude eine Größe von ca. 60x30x15 cm und Flugzeuge wie Autos bleiben mit Größen von ca. 3-15 cm handhabbar.

Für das umfangreiche Projekt ließen wir bis zu 35 Teilnehmer_innen zu und legten großen Wert auf eine verlässliche Organisationsstruktur. Hierfür eignete sich das agile Software-Entwicklungsmodell Scrum, um das komplexe Gesamtziel in viele realisierbare Teilziele zu unterteilen, aber gleichzeitig flexibel auf Veränderungen reagieren zu können. Durch tägliche Meetings behält man zudem den Überblick über die aktuellen Bearbeitungsstände.

Wir teilten die Schüler_innen in drei voneinander unabhängige Teams ein (zwei 3D-Gruppen, eine Arduino-Gruppe). Für den Großteil war die Arbeit mit dem Mikrocontroller Arduino und der 3D-Grafik-Software Blender unbekannt. Um diesen Teilnehmer_innen in möglichst kurzer Zeit die Grundlagen zu vermitteln, holten wir uns Unterstützung von Schüler_innen, die mit diesen Technologien bereits Erfahrungen hatten. Für die Mikrocontroller-Programmierung waren das zwei Schülerinnen aus dem Leistungskurs Informatik. Über Erfahrungen mit Blender verfügten bereits vier Schüler_innen. Diese „Expert_innen“ wurden zu Scrum Mastern. Ein Scrum Master unterstützt das Projektteam bei der Arbeit, hilft bei auftretenden Problemen und stellt so die Qualität des Produktes sicher. Zur besseren Übersicht wurden die zahlreichen Ziele und Aufgaben auf Karten notiert und auf das Scrum-Board des Teams geheftet. Je nach Bearbeitungsstatus wandert die Karte auf der Tafel vom Bereich „To Do“ weiter über „In Progress“ zu „Done“, in dem die erledigten Aufgaben stehen. Nur die Scrum Master dürfen Aufgaben nach Erfüllung eines kleinen Kriterienkatalogs („Definition of Done“) in den Done-Bereich verschieben. Im Vorfeld erledigten wir einige Aufgaben testweise, um voraussichtliche Laufzeiten empirisch zu ermitteln und eventuelle technische Probleme frühzeitig zu erkennen.

Nach der Planung gingen wir in die direkte Vorbereitung über. Wir definierten die Aufgaben: Darunter waren  z.B. Modellierung und Druck von Flugzeugen und Autos sowie die Steuerung der Straßen- und Landebahnbeleuchtung. Vor Beginn der Projektwoche organisierten wir eine Vorbesprechung mit allen Projektteilnehmer_innen und erläuterten unser Vorhaben.

Zum Projektwochenstart am Montag begann die Einführung in 3D bzw. Arduino in den jeweiligen Teams, wobei sich eine Einführungszeit von drei Stunden als sinnvoll erwies: Die 3D-Teams modellierten schon zu diesem Zeitpunkt ein Teil, das sogleich in den Druck ging. Das Arduino-Team lernte technische Grundlagen und beschaltete erste LEDs. Die Schüler_innen wählten vom Scrum-Board ihre erste Aufgabe aus und die eigentliche Arbeit konnte losgehen. Bei Fragen standen die Scrum Master mit Rat und Tat zur Seite. Die meisten begannen mit einfachen Aufgaben, wie der Modellierung eines Autos, das problemlos „in einem Stück“ gedruckt werden konnte. Schnelle Schüler_innen stellten ihr erstes Fahrzeug schon am Nachmittag fertig.

Am Dienstagmorgen fand in jedem Team das ca. 20-minütige Daily-Scrum-Meeting statt, in dem sich die Teilnehmer_innen über den Stand der Entwicklungen und Probleme austauschten. Fortschritten wurde durch Verschieben der jeweiligen Aufgabe auf dem Scrum-Board Rechnung getragen. Während in 3 Räumen modelliert und programmiert wurde, fingen einige Schüler_innen bereits mit der Gestaltung des Flughafens an. Anhand von Satellitenaufnahmen wurden Fahrbahn, Rollfeld und Grünflächen aufgemalt und mit Modellbaurasen beklebt. Ausgedruckte Teile wurden bemalt und aufgeklebt.

Im Laufe des Donnerstags waren die meisten Aufgaben im 3D-Bereich erfüllt und die Schüler_innen begannen nun, ihre eigenen 3D-Objekte umzusetzen. Auch komplexere Aufgaben, wie die Modellierung von Flugzeugen, wurden angegangen. Da zumindest an den Flügeln zwangsläufig ein nicht druckbarer Überhang entsteht, musste in mehreren Teilen gedruckt werden. Das Flugzeug wurde am Rumpf geteilt, die untere Hälfte umgekehrt gedruckt und anschließend zusammengeklebt.

An den Projekttagen wurde nahezu ununterbrochen gedruckt. Einige komplexere Formen wurden fehlerhaft gedruckt und mussten nachgebessert werden. Innerhalb des Modells liegende oder doppelte Flächen waren Ursache für die meisten Fehldrucke.

Am Freitagnachmittag war das geplante Ziel erreicht: Einen Flughafen in Modellbaugröße zu bauen, bei dem sich alle Schüler_innen mit ihren eigenen Ergebnissen einbringen konnten. Wir bedankten uns bei allen Teilnehmer_innen, insbesondere bei den Scrum Mastern. Die Rückmeldung fiel sehr positiv aus.

Praxisbericht Flughafen

Zusammen mit der sehr guten Resonanz interessierter Eltern und Schüler_innen beim „Tag der offenen Tür“ wurde das Projekt durch eine schulinterne Jury als „Bestes Projekt der Projektwoche 2015“ ausgezeichnet. Im April 2015 wurde der Modellflughafen beim „Girls Day“ in der Humboldt-Universität interessierten Berliner Schülerinnen erläutert, die nach einer kurzen Einführung in die Arduino-Programmierung selbst Flughafen-Schaltungen entwickeln konnten. Im Oktober 2015 stellten wir den Flughafen zur Messe „Maker Faire“ aus. Im kommenden Jahr planen wir ein ähnliches Projekt zur Projektwoche.

Reflexion

Alle Projektteilnehmer_innen arbeiteten sehr motiviert an der Umsetzung des Projekts. Die Verwendung von Scrum als Organisationsstruktur einschließlich täglicher Meetings hat sich als sehr sinnvoll gezeigt, weil die Aufgabenverteilung und der Bearbeitungsstand stets sichtbar waren. Auch das Einsetzen von Schüler-Expert_innen als Gruppenleiter_innen war sehr hilfreich, da schnell und auf mehrere Schultern verteilt Hilfestellungen bei Fragen gegeben werden konnten.

Als Flaschenhals hat sich der 3D-Drucker erwiesen, der während der Projektwoche z.T. auch in der Nacht drucken musste. Größere Modelle konnten wegen des Zeitmangels leider nicht mehr gedruckt werden. Mit einem kleinerem 3D-Team lassen sich vermutlich identische Ergebnisse erzielen. Wir würden in der kommenden Projektwoche darauf achten, dass die Anzahl der zu druckenden 3D-Teile nicht zu groß wird. Erforderliche 3D-Objekte lassen sich ggf. auch mit einfachen Mitteln nachbauen.

Empfehlungen

Das Projekt ist in der Größe der Arbeitsplatte, der verwendeten Arduinos, der Anzahl der Projektteilnehmer_innen sowie der Produkt-Komplexität sehr gut skalierbar. Zusammen mit dem frei wählbaren Aufbau-Ziel (Flughafen, Bahnhof, Vergnügungspark etc.) lässt sich dieses Projekt ideal auf die eigenen Bedürfnisse und Voraussetzungen abstimmen, so dass aus unserer Sicht ähnliche Umsetzungen stets für ein spannendes Projekt sorgen.

Weitere Informationen

Autoren

Praxisbericht Flughafen, Oliver Weißbarth

Oliver Weißbarth arbeitet seit vielen Jahren mit dem 3D-Programm Blender und leitet die AG „3D-Modellierung“ am Gebrüder-Montgolfier-Gymnasium in Berlin.
www.blenderkurse.de

Praxisbericht Flughafen, Sascha Vorwerk
Sascha Vorwerk ist Fachleiter für Informatik am Gebrüder-Montgolfier-Gymnasium in Berlin und verwendet im Informatikunterricht der Oberstufe Arduinos für die praktische Arbeit.
www.gemont.de