Um eine „Smarte Pflanzenbewässerung“ herzustellen, programmieren die Schüler*innen u.a. mit dem Calliope mini einen Stromkreis. Das Projekt verbindet unterschiedliche Schulfächer.
Hinweis: Die Vorstellung des Calliope mini und eine einführende Erklärung finden Sie hier.
Die ausgewählten Kopiervorlagen müssen in Klassenstärke ausgedruckt werden. Die leitfähigen und nicht leitfähigen Materialien müssen vorbereitet bzw. von den Schüler*innen mitgebracht werden. Für das Basteln der Halterung/Standvorrichtung werden die oben genannten Materialien und die entsprechende Kopiervorlage in Klassenstärke benötigt.
Grundlegende Programmierkenntnisse und Erfahrung im Umgang mit dem Calliope mini und dem Editor Open Roberta werden vorausgesetzt.
Sollten die Themen einfacher Stromkreis und Leitfähigkeit im Physikunterricht noch nicht eingeführt worden sein oder liegt diese Einführung schon länger zurück, dann sollte das Wissen rund um diese Themen zu Beginn des Projekts wieder aktiviert werden.
Das kann beispielsweise so erfolgen: Die Schüler*innen werden in Teams eingeteilt. Jedes Team bekommt einen Begriff zum Thema Strom/Stromkreis/Leitfähigkeit zugeteilt und recherchiert einige Minuten im Schulbuch/Internet. Danach stellt jedes Team der Klasse den Begriff kurz vor.
Die Schüler*innen sollen nun selbst einen Stromkreis mit dem Calliope mini erzeugen. Die Programmierung erfolgt mit dem Editor Open Roberta und kann, je nach Wissensstand der Schüler*innen, alleine oder gemeinsam mit der Lehrperson erfolgen (siehe Abbildung 1). Durch die folgende Kopiervorlage wird selbstständiges Arbeiten (bzw. in Zweierteams) in jedem Fall gefördert:
Kopiervorlage “Pflanzenbewässerung- Teil 1”: hier herunterladen oder als PDF öffnen
Abbildung 1: Programmcode zur digitalen Überprüfung der Leitfähigkeit von Materialien: hier herunterladen
Abbildung als PNG-Datei: Programmcode zur digitalen Überprüfung der Leitfähigkeit von Materialien
Die Ergebnisse des Arbeitsblattes werden im Klassenverband gesammelt und besprochen.
Bevor mit einer Pflanze gearbeitet wird, kann die Standvorrichtung/Halterung gebastelt werden. Durch die folgende Kopiervorlage sollten die Schüler*innen auch hier großteils in der Lage sein, selbständig zu arbeiten:
Für das Bewässerungssystem steht das folgende Arbeitsblatt zur Verfügung:
Der Zusammenhang zwischen der Leitfähigkeit des Wassers und der Überprüfung der Feuchtigkeit der Erde wird im Plenum und durch ein fragend-entwickelndes Gespräch mit der Lehrperson hergestellt. Anschließend sollen die Schüler*innen mit dem Calliope und dem Programm aus Abbildung 1 experimentieren und die Ergebnisse einige Tage (bis zur nächsten Einheit) dokumentieren. Ziel ist es, dass den Schüler*innen der Vorteil einer genaueren Messung bewusst wird. Je nach verfügbarer Zeit kann das Projekt an dieser Stelle beendet oder durch eine Optimierung des bestehenden Programmes und einer fächerübergreifende Erarbeitung mit dem Fach Biologie vertieft werden (siehe „mögliche Varianten und Ergänzungen“).
Um eine feinere Messung zu ermöglichen, muss beim Calliope mini der analoge Pin 1 angesteuert werden. Statt einer binären Unterscheidung zwischen nicht leitend und leitend wird nun mit einem Zahlenwert, je nach Feuchtigkeit der Erde, gearbeitet. Die Schüler*innen sollen zunächst testen, in welchem Zusammenhang die Höhe des gemessenen Wertes mit dem Wassergehalt der Erde steht. Dazu kann das folgende Arbeitsblatt und das in Abbildung 2 dargestellte Programm herangezogen werden:
Kopiervorlage: „Pflanzenbewässerung – Teil 3A”: hier herunterladen oder als PDF öffnen
Abbildung 2: Programmcode zur analogen Überprüfung der Leitfähigkeit von Materialien: hier herunterladen
Abbildung als PNG-Datei: Programmcode zur analogen Überprüfung der Leitfähigkeit von Materialien
Anhand dieser Werte soll später das Programm auf die jeweilige Pflanze abgestimmt werden. Die Schüler*innen tragen die Werte in ein Koordinatensystem ein und analysieren anhand des entstehenden Funktionsgraphen die genannten Zusammenhänge zwischen der Wassermenge und dem Wert der Messung. Das folgende Arbeitsblatt unterstützt diesen Schritt:
Falls fächerübergreifender Unterricht mit Mathematik nicht gewünscht oder möglich ist, steht ein alternatives Arbeitsblatt zur Verfügung:
Anschließend recherchieren die Schüler*innen den Namen der Pflanze, die ihnen für das Projekt zur Verfügung steht (etwa über Websites wie https://pflanzenbestimmung.info/). Mit dem gefundenen Namen suchen sie nach Informationen zu den Bedürfnissen der Pflanze (z. B. über Websites wie https://zimmerpflanzen-faq.de/).
| Beispiel: Pflanze Chlorophytum comosum (Grünlilie), Wasserbedarf: gleichmäßig bis mäßig feucht. (https://zimmerpflanzen-faq.de/chlorophytum-comosum/ letzter Abruf Oktober 2017) |
Nun werden die gemessenen Werte den Bedürfnissen der Pflanze zugeordnet. Wenn also ein mäßig feuchter Boden ungefähr den Wert 500 und ein gleichmäßig feuchter Boden den Wert 900 ergeben hat, so definieren diese Werte den idealen Bereich für diese Pflanze. Es ist immer zu beachten, dass die Werte je nach Länge, Abstand, Material und Positionierung der Nägel stark variieren. Die Werte werden für die Programmierung in Open Roberta verwendet und je nach gemessenen Wert wird die Anzeige angepasst. Je nach Wissensstand müssen für die Umsetzung des Programms die Konzepte von Variablen sowie „kleiner/größer“ und Verknüpfungen mit „und“ erarbeitet oder wiederholt werden (siehe Abbildung 3). Gegebenenfalls kann auch ein gemeinsames Flussdiagramm bei der Umsetzung des Programms helfen.
Abbildung 3: Programmcode für die finale Bewässerungsüberprüfung: hier herunterladen
Abbildung als PNG-Datei: Programmcode für die finale Bewässerungsüberprüfung
Die gemessenen Werte variieren sehr stark, je nach nach Länge, Abstand, Material und Positionierung der verwendeten Nägel oder Schrauben in der Erde. Nägel, die nicht zu lang sind (ca. 5 cm), eignen sich besser, da sich an der Oberfläche der Erde die Ergebnisse schneller ändern (die Erde trocknet schneller wieder aus) Die Entfernung zwischen den Nägel/Schrauben sollte dabei möglichst 10 cm oder mehr betragen, da sonst auch fast trockene Erde schon sehr gut leitet. Entsprechend ist es von Vorteil, den Pflanzentopf sowie die Schale mit Erde zum Austesten der Werte nicht zu klein zu wählen. Die Position der Schrauben/Nägel sollte im Topf bzw. der Schale nicht verändert werden, da sich auch die Werte entsprechend verändern würden.
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In mehreren Schritten setzen die Schüler*innen das Spiel „Fang das Ei“ auf der 5×5-LED-Matrix des Calliope mini um. Sie lernen, den Korb zu programmieren sowie den Korb zu steuern.
Beim Spiel „Der heiße Draht“ führen die Schüler*innen einen Spielstab entlang einer Bahn aus Draht, ohne den Draht zu berühren. Passiert es doch, wird dies durch ein Licht-oder Tonsignal gemeldet. Dazu programmieren die Schüler*innen den Calliope mini.
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Vorstellung des Calliope mini und einführende Erklärung. Die Schüler*innen programmieren mit dem Calliope mini ein Spiel, mit dem spielerisch das Sprachverständnis geübt und Vokabular gefestigt werden kann.
Im Lernbüro wird mit binnendifferenzierten Arbeitsplänen u.a. intelligentes Wissen vermittelt. Eine Möglichkeit dabei sind digitale, selbsterstellte Erklärfilme.
