Genuino statt "Hello World" und Oszilloskop

Umgesetztes Projekt

Ziele

Einstieg in die Mikrocontroller-Programmierung ohne Vorwissen ermöglichen / Begeisterung dafür als Nebenprodukt der Physiklehre erzeugen

Kurzzusammenfassung (dt.)

Es war noch nie so einfach Hardware bestehend aus Sensoren und Aktuatoren zu programmieren wie heute. Genuino ist eine Plattform bestehend aus einer Software und einem Mikrocontroller der gemeinsam mit sogenannten "Starter-Kits" angeboten wird. Mit Hilfe dieser Sets kann jeder Laie innerhalb kürzester Zeit im Selbststudium eine unglaubliche Fülle von Kompetenzen im Bereich Elektronik, Sensorik und Programmierung auf spielerische Weise erwerben. Leider bleibt diese Welt sehr vielen Menschen verschlossen, weil junge Konzepte wie Genuino noch nicht bekannt sind und enorme Berührungsängste zu derartiger Technik vorhanden sind.

Im hier präsentierten Projekt geht es darum diese Berührungsängste abzubauen und auch Studierenden von Studienrichtungen, in denen Mikrocontroller und Programmierung nicht am Lehrplan stehen, einen Einstieg zu ermöglichen. Dies wird erreicht, indem Genuinos und passende Schaltungen anstelle von Oszilloskopen im Physiklabor verwendet werden und die Genuino Starter Kits an die Studierenden als Leihgabe zur Verfügung gestellt werden.

Durch diese Maßnahmen werden als Nebenprodukt der eigentlichen Physiklehre einerseits das Interesse und die Begeisterung für neuartige Konzepte wie Genuino geweckt, andererseits nimmt die Hemmschwelle bei Begriffen wie „Physical Computing“ und „Miktrokontroller“ ab.

Kurzzusammenfassung (engl.)

It has never been so easy to program hardware consisting of sensors and actuators as it is today. Genuino is a platform composed of a software and a microcontroller which is offered together with so-called "starter kits”. With those starter kits anyone can easily acquire a wealth of electronic, sensory and programming skills in a playful and self-paced learning environment in no time.

Unfortunately this world remains undiscovered to many people, because young concepts like Genuino are not known so far and there are great fears of contact with such new technologies.

The current project aims to reduce those reservations and simultaneously encourages students of study fields without microcontrollers or programming on their curriculum to get started. This is achieved by using Genuinos and circuits instead of oscilloscopes in the physics laboratory and renting out the Genuino starter kits to the students.

On the one hand, this way interest and enthusiasm for innovative concepts like Genuino is increased, on the other hand, the inhibition level for terms such as “Physical computing” and “Microcontroller” is decreasing as a by-product of the classical physics lecture.

Nähere Beschreibung

Was ist Genuino?

 

An dieser Stelle erlaubt sich der Autor wenig innovativ zu sein und die Erklärung von de.wikipedia.org/wiki/Arduino_(Plattform) hierher zu übertragen:

"Arduino (seit März 2015 auch Genuino, für den europäischen Markt) ist eine aus Soft- und Hardware bestehende Physical-Computing-Plattform. Beide Komponenten sind im Sinne von Open Source quelloffen. Die Hardware besteht aus einem einfachen E/A-Board mit einem Mikrocontroller und analogen und digitalen Ein- und Ausgängen. Die Entwicklungsumgebung basiert auf Processing und soll auch technisch weniger Versierten den Zugang zur Programmierung und zu Mikrocontrollern erleichtern. Die Programmierung selbst erfolgt in einer C bzw. C++-ähnlichen Programmiersprache, wobei technische Details wie Header-Dateien vor den Anwendern weitgehend verborgen werden und umfangreiche Bibliotheken und Beispiele die Programmierung vereinfachen. Arduino kann verwendet werden, um eigenständige interaktive Objekte zu steuern oder um mit Softwareanwendungen auf Computern zu interagieren (z. B. Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider, diversen Skriptsprachen, Terminal, vvvv etc.). Arduino wird beispielsweise auch an Kunsthochschulen genutzt, um interaktive Installationen aufzubauen."

 

Von Genuino.cc werden sehr gute Starter Kits angeboten. Diese beinhalten neben dem Genuino Uno Mikrocontroller auch etliche Sensoren, Aktuatoren, LEDs, Widerstände, Kabel, Taster und ein Steckbrett. Ebenfalls enthalten ist ein liebevoll gestaltetes Handbuch welches Grundlagen erklärt und Anleitungen für 15 „Do it yourself“ Projekte enthält. (siehe store.arduino.cc/genuino-starter-kit )

Diese Starter Kits sind gemessen am Umfang mit einem Preis von rund 80 € relativ günstig.

 

Ziel war es nun, wie in der Kurzzusammenfassung ausgeführt, mit Hilfe dieser Starter Kits fachfremden Studierenden einen Einstieg in die Mikrocontroller-Programmierung zu ermöglichen.

 

Im Studiengang Produktdesign und technische Kommunikation an der FH OÖ Fakultät Wels steht im zweiten Semester die Lehrveranstaltung „Physik“ am Programm. Dabei handelt es sich um eine LVA mit Vorlesungs- und Laboranteilen. In dieser LVA werden die Grundlagen der Physik und des wissenschaftlichen Durchführens und Protokollierens von Experimenten vermittelt. Der Studiengang weist traditionell einen hohen Frauenanteil auf und zu Beginn der Lehrveranstaltung hatten lediglich 3 von 20 Teilnehmerinnen Programmierkenntnisse.

 

Ziel war dabei nicht zusätzlich Programmierung und Mikrocontroller zu unterrichten, sondern bei den Studierenden selbst Begeisterung für diese Technologie zu wecken, sodass sich diese aus persönlicher Neugier mit oben angeführter Technologie beschäftigen. Zu diesem Zweck wurden die Starter Kits bereits vor den Laborübungen für ein paar Wochen an die Studierenden ausgeliehen. Der Einstieg in die Programmierung, der Umgang mit Elektronikkomponenten und der Abbau der Hemmschwelle bei Begriffen wie „Physical Computing“ und „Mikrocontroller“ sollte ein Nebenprodukt der eigentlichen Physiklehre sein.

 

Nach Ausgabe der Genuino Starter Kits herrschte unter den Studierenden Weihnachtsstimmung. Die anfänglichen Hemmungen waren durch das gemeinsame Installieren der Entwicklungsumgebung auf den privaten Notebooks und die angeleitete Inbetriebnahme des Mikrocontrollers sowie das Schreiben eines ersten einfachen Programmes (LED Blinken) innerhalb nur einer Einheit (45 Minuten) abgebaut.

 

Bezüglich der Methodik ist wichtig festzuhalten, dass in dieser Lehrveranstaltung kein Zwang vorherrschte sich intensiver mit Genuino auseinander zu setzen. Zum einen handelte es sich um eine Physik Lehrveranstaltung und die den ECTS entsprechende Workload musste natürlich im Bereich der Physik erbracht werden, zum anderen hätte ein „müssen“ das „wollen“ behindert.

 

Nur in einem Versuch – bei der Messung einer Falldauer für die Bestimmung der Erdbeschleunigung – musste eine Schaltung aufgebaut und ein Mikrocontroller verwendet werden. Hierfür wurden aber so detaillierte Anleitungen bereitgestellt, dass eine Überforderung auch für jene wenigen Studierenden auszuschließen war, die das Angebot sich privat mit Genuino zu beschäftigen, nicht angenommen haben.

 

Die Praxisnähe und der Forschungsbezug liegen auf der Hand: Der Aufbau zum oben genannten Versuch würde normalerweise ein Oszilloskop anstatt des Genuino verwenden. Die zukünftigen Absolventinnen und Absolventen des Studiengangs werden allerdings in ihrer beruflichen Zukunft wesentlich wahrscheinlicher mit mikrocontrollergesteuerten Prototypen als mit Oszilloskopen zu tun haben.

 

Nachdem dieser erste Testballon sehr gut verlief wurde in der Folge auch ein Workshop für Kinder und Jugendliche entwickelt. Dieser wurde im Rahmen der "KinderUni 2017" erstmals mit rund 20 Kindern und Jugendlichen im Alter von 12 bis 14 Jahren durchgeführt. Innerhalb eines Vormittages und eines Nachmittages mit verschiedenen angeleiteten Übungen konnte am Ende jedes Kind sein eigenes „temperaturgesteuertes Geheimschloss“ programmieren und aufbauen: Ein Temperatursensor wird stetig ausgelesen; sobald eine gewisse Temperatur überschritten wird, wird ein Servomotor angesteuert (und könnte so etwa eine Verriegelung lösen).

 

Schon nach kurzer Zeit war das größte Problem bei den meisten Kindern nicht mehr das Verständnis für die Programmierung oder das Steckbrett, sondern der Unmut über das banalste an der ganzen Sache: Die Verwendung der Computertastatur - kaum jemand beherrschte das 10-Fingersystem!

 

Diese Einreichung soll auch als Inspiration für andere Lehrende dienen: Digitalisierung ist die Zukunft. Mit den Genuino Starter Kits gibt es ein hervorragendes Tool um den Einstieg für jedermann zu ermöglichen - auch im Rahmen von Lehrveranstaltungen und in Studiengängen, deren Fokus nicht genau auf diesen Kompetenzen liegt.

Positionierung des Lehrangebots

Das Format kann sehr einfach an verschiedene Zielgruppen angepasst werden. Bereits im Einsatz ist es in einem Bachelorstudiengag (2. Semester) aber auch bei der Ferienaktivität "KinderUni" für Zwölf- bis Vierzehnjährige.

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2018 nominiert.