Lernmaterial SmartShirt - Hinweise und Lösungen für Lehrpersonen - im Smartfeld
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Lernmaterial SmartShirt
Hinweise und Lösungen für Lehrpersonen
Idee: Die Schülerinnen und Schüler programmieren verschiedene Funktionen für
ein Veloshirt, ähnlich der Emoji-Jacke von Ford
(https://www.youtube.com/watch?v=g756nqX-jUU&feature=youtu.be).
Zeitbedarf: 2 bis 4 Lektionen
Stufe: 7. – 9. Klasse
Voraussetzungen: Der Besuch des SmartShirt-Workshops im Smartfeld wird vorausgesetzt.
Anknüpfung an Die Aufgabe zum Veloshirt aus dem SmartShirt-Workshop wird aufgegriffen
SmartShirt- und weitergeführt.
Workshop: Es wird mit den gleichen Materialien aus dem Workshop gearbeitet. Neu
kommen der Ultraschallsensor, der Beschleunigungssensor und der
Gestensensor dazu.
Auch die im Workshop eingeführten Programmierkonzepte werden nochmals
behandelt.
Lernmöglichkeiten: Ultraschallsensor, Beschleunigungssensor, Gestensensor, Schleifen,
Debuggen, Programmierprinzipien: E.V.A., Teile und Herrsche, Don’t Reply
Yourself, Keep It Simple and Stupid
Materialien: SmartShirt-Kisten, Schülerdossier, Lehrerdossier, Dateien mit den Aufträgen
Aufbau: Das Aufgabensetting handelt um das Veloshirt. Alle Aufgaben haben einen
direkten Bezug dazu. In verschiedenen Aufgaben sollen neue Funktionen für
das Veloshirt programmiert werden. Die Unteraufgaben sind im
Schwierigkeitsgrad steigend, ebenso die Aufgaben als Ganzes.
Der Auftrag 5* ist eine anspruchsvolle Zusatzaufgabe, welche die schnellen
Schülerinnen und Schüler abfangen soll. Wenn die Zeit nicht reicht, soll diese
Aufgabe übersprungen und direkt mit Auftrag 6 weitergemacht werden.
Im Auftrag 6 wurden alle Funktionen zusammengefasst und als Debug-
Aufgabe verpackt. Mit dem Lösen dieser Aufgabe hat man ein Veloshirt, was
über fast alle erarbeiteten Funktionen aus den vorangegangenen Aufgaben
verfügt. Der Auftrag 6 bildet den Abschluss des Dossiers.
Didaktische Das Dossier für die Schülerinnen und Schüler ist so konzipiert, dass in der
Hinweise: Datei einer neuen Aufgabe jeweils die Lösung der vorherigen Aufgabe darin
enthalten ist.
Es gibt jeweils offen formulierte Zusatzaufgaben. So kann gewährleistet
werden, dass schnellere Schülerinnen und Schüler nicht davonziehen.
Im Dossier werden verschiedene Prinzipien wie DRY, KISS oder Teile &
Herrsche vermittelt, welche beim Programmieren unterstützen.
Hinweise zum Das Dossier für die Schülerinnen und Schüler ist so aufgebaut, dass die
Schülerdossier: Jugendlichen selbständig daran arbeiten können. Zudem gibt es Tipps, welche
die Schülerinnen und Schüler durchlesen können, falls sie Hilfe benötigen.
Die Schülerinnen und Schüler lernen nach und nach verschiedene
Programmierprinzipien kennen, welche sie beim Programmieren
unterstützen.
Hinweise zu den Die Lösungen sind als Vorschlag zu verstehen. Häufig gibt es verschiedene
Lösungen: Lösungsmöglichkeiten für ein Programm.
Verankerung im MI.2.1.i: Die Schülerinnen und Schüler können logische Operatoren
Lehrplan: verwenden (und, oder, nicht).
MI.2.2.e: Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass ein Computer nur
vordefinierte Anweisungen ausführen kann und dass ein Programm eine
Abfolge von solchen Anweisungen ist.
MI.2.2.f: Die Schülerinnen und Schüler können Programme mit Schleifen,
bedingten Anweisungen und Parametern schreiben und testen.
MI.2.2.g: Die Schülerinnen und Schüler können selbstentdeckte Lösungswege
für einfache Probleme in Form von lauffähigen und korrekten
Computerprogrammen mit Schleifen, bedingten Anweisungen und
Parametern formulieren.
MI.2.2.h: Die Schülerinnen und Schüler können selbstentwickelte
Algorithmen in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen
mit Variablen und Unterprogrammen formulieren.
MI.2.3.l: Die Schülerinnen und Schüler kennen die wesentlichen Eingabe-,
Verarbeitungs- und Ausgabeelemente von Informatiksystemen und können
diese mit den entsprechenden Funktionen von Lebewesen vergleichen
(Sensor, Prozessor, Aktor und Speicher).
2
Auftrag 1 Nachricht
Prinzip: DRY (Don’t Repeat Yourself): Dieses Prinzip hilft
dir darauf zu achten, dass in deinem
Programmcode keine Befehle doppelt
vorkommen. Benutze dazu
Wiederholungsschleifen. Weiter soll es nur einen
Ort für Anpassungen geben. Alle Steuerbefehle
gehören an den Anfang des Programms. Nutze dazu Funktionen und Variablen.
Dadurch können Teile in deinem Programm schneller geändert werden. Gleichzeitig
kannst du so die Fehlerrate reduzieren.
Ziel: Das Smartshirt soll auf Knopfdruck eine Nachricht anzeigen.
1. Ziehe die Datei microbit-Auftrag-1-Nachricht.hex in den Browser.
Schliesse die Matrix an Pin P2 an.
Wenn Knopf A gedrückt wird, soll auf der Matrix für drei Sekunden ein Smiley
angezeigt werden.
Danach soll das Bild gelöscht werden.
2. Wenn Knopf B gedrückt wird, soll auf der Matrix für fünf Sekunden ein Warnsignal
angezeigt werden.
Danach soll das Bild gelöscht werden.
3. Wenn beide Knöpfe gleichzeitig gedrückt werden, soll die Matrix fünf Mal rot
blinken.
Nutze für die Pausenzeit die Variable «Pause».
Tipps: 1. Kontrolliere, ob du den richtigen Pin ansprichst.
2. Beim Blinken sollen abwechslungsweise die LEDs leuchten und nicht leuchten. Mit
«Clear Matrix» gehen alle LED-Lämpchen aus.
3. Auch für das «nicht leuchten» braucht es eine Zeitangabe.
Zusatz: Untersuche: Was passiert, wenn du auf Knopf A drückst und dann gleich auf Knopf B?
Wie könnte man dieses Problem beheben?
Verbessere: Ändere dein Programm so, dass Smiley und Warnsignal nur angezeigt
werden, solange der entsprechende Knopf gedrückt bleibt.
3
Lösung 1 Nachricht
Lösung:
Lösung Die Animation bei Knopf A wird fortgeführt, bis sie fertig ist. Erst dann wird die
Zusatz: Animation bei Knopf B angezeigt. Bei der grossen LED-Matrix kann die Animation nicht
unterbrochen werden.
4
Auftrag 2a Abstand
Prinzip: Teile und Herrsche: Mit Hilfe von diesem Prinzip
kannst du ein zu schwierig erscheinendes Problem
in kleinere und einfachere Teilprobleme zerlegen.
Diese sind dadurch «beherrschbar». Danach kannst
du die Teillösungen zusammenfügen und hast
somit das Gesamtproblem gelöst.
Ziel: Das Smartshirt soll unterschiedliche Warnhinweise anzeigen, je nach dem welchen
Abstand das hintere Fahrzeug zu dir hat. Nutze dazu das Prinzip «Teile und Herrsche».
1. Ordne die drei Teilprobleme vom einfachsten zum schwierigsten. Begründe!
Teilproblem: Teilproblem: Teilproblem:
Warnsignal bei zu kleinem Je nach Abstand werden Abstand messen
Abstand anzeigen andere Signale angezeigt.
2. Ziehe die Datei microbit-Auftrag-2a-Abstand.hex in den Browser.
Lade die Datei auf den micro:bit.
3. Der micro:bit zeigt dir nun an, welche Reihenfolge die richtige ist.
Drücke auf den Knopf, der oben rechts im Bild ist. Die Zahl gibt dir an, an welcher
Stelle dieses Problem ist.
1 = einfachstes Problem → soll zuerst gelöst werden
3 = mittleres Problem → soll als Zweites gelöst werden
3 = schwierigstes Problem → soll erst ganz am Schluss gelöst werden
4. Im Programmcode ist die Begründung versteckt.
Links neben «Wenn Knopf A+B gedrückt» ist ein kleines Textsymbol.
Drücke auf das Symbol und lese die Begründung durch.
5
Lösung 2a Abstand
Lösung:
Teilproblem: Teilproblem: Teilproblem:
Abstand messen Warnsignal bei zu kleinem Je nach Abstand werden
Abstand anzeigen andere Signale angezeigt.
1. Abstand messen:
Zu Beginn möchten wir nur den Abstand messen. So sehen wir direkt, ob der Sensor
auch funktioniert und sich so verhält, wie wir das erwarten.
2. Warnsignal bei zu kleinem Abstand anzeigen:
Da wir jetzt wissen, dass der Sensor funktioniert und sich richtig verhält, können wir im
nächsten Schritt eine einfache Bedingung einfügen. Hier überprüfen wir wieder, ob das
Programm funktioniert. Erscheint das Warnsignal nur dann, wenn der gewählte
Abstand unterschritten wird?
3. Je nach Abstand werden andere Signale angezeigt:
Wir wissen jetzt, dass der Sensor unsere Bedingung erkennt. Nun können wir weitere
Bedingungen hinzufügen. Wenn danach noch ein Fehler auftreten sollte, können wir
Probleme mit dem Sensor bereits ausschliessen. Das Prinzip unterstützt uns also nicht
nur dabei, ein schwieriges Programm zu meistern, es hilft uns auch bei der
Fehlersuche.
6
Auftrag 2b Abstand
Ziel: Das Smartshirt soll unterschiedliche Warnhinweise anzeigen, je
nach dem welchen Abstand das hintere Fahrzeug zu dir hat. Nutze
dazu das Prinzip «Teile und Herrsche».
1. Ziehe die Datei microbit-Auftrag-2b-Abstand.hex in den Browser.
Schliesse den Ultraschallsensor an Pin P1 an.
Der Ultraschallsensor kann die Entfernung zu einem Hindernis messen.
Zeige an, wie gross die Entfernung in cm ist.
2. Auf der Matrix soll ein Warnsignal aufleuchten, wenn der Abstand zu einem
Hindernis weniger als 2m ist.
3. Wenn der Abstand genügend gross ist, soll die Matrix grün leuchten.
Ist der Abstand gerade noch okay, soll ein Warnsignal angezeigt werden.
Wenn der Abstand deutlich zu klein ist, soll die Matrix rot leuchten.
Tipps: 1. Kontrolliere, ob du den richtigen Pin ansprichst.
2. Wähle zuerst eine kurze Distanz, damit du dein Programm einfacher überprüfen
kannst. Wenn es funktioniert, kannst du den Abstand erhöhen.
Zusatz: Untersuche: Wie gross kannst du die Distanz einstellen, damit es noch zuverlässig
funktioniert?
Überlege: Wie funktioniert ein Ultraschallsensor?
7
Lösung 2b Abstand
Lösung:
8
Lösung Ein Ultraschallsensor sendet Ultraschallwellen aus. Diese werden an Objekten
Zusatz: reflektiert und vom Ultraschallsensor wieder empfangen. Der Sensor misst nicht die
Distanz, sondern die Zeit welche die Schallwellen nach dem Aussenden brauchen, bis
sie wieder zurückkommen. Anhand der Wellenlänge und der Zeit kann dann der
Abstand berechnet werden.
Abbildung 1: Ultraschallsensor (Bildquelle: https://codingworld.io/project/der-ultraschallsensor)
9
Auftrag 3 Bremsen
Prinzip: KISS (Keep It Simple and Stupid): Dieses
Prinzip fordert dich dazu auf, dein Programm
möglichst einfach zu halten. Komplizierte
Elemente sollen durch einfachere ersetzt
werden. Dadurch lässt sich das Programm
besser testen.
Ziel: Das Smartshirt soll beim Bremsen ein Warnsignal anzeigen. Nach dem Prinzip «KISS»
soll das Programm so einfach wie möglich gestaltet werden. Stecke deshalb die grosse
LED-Matrix aus und programmieren das Signal auf der kleinen Matrix direkt auf dem
micro:bit.
Wenn du beim Auftrag 2b die dritte Teilaufgabe lösen konntest, wähle hier die
schwierige Variante.
Einfach: Ziehe die Datei microbit-Auftrag-3_einfach-Bremsen.hex in den Browser.
Schwierig: Ziehe die Datei microbit-Auftrag-3_schwierig-Bremsen.hex in den Browser.
Beim Bremsen erfährt der micro:bit eine Beschleunigung.
Während die Beschleunigung einen bestimmten Wert überschreitet, soll ein
Warnhinweis angezeigt werden.
Lade das Programm herunter und schliesse den micro:bit an den Akku an.
Nun kannst du das Programm ausprobieren, in dem du den micro:bit mit dem Akku in
deiner Hand schnell oder langsam in verschiedene Richtungen bewegst.
Tipps: 1. Der micro:bit hat ein Koordinatensystem mit x-Achse, y-Achse und z-Achse. Welche
Achse zeigt in welche Richtung? Teste!
2. Wenn du die Beschleunigung zu klein wählst, kommt der Warnhinweis bereits bei
einer leichten Bewegung. Wenn du sie zu gross wählst, kommt der Warnhinweis
nie. Teste!
3. Überlege, ob die Beschleunigung beim Bremsen ein positives oder negatives
Vorzeichen hat.
Zusatz: Verbessere: Verändere dein Programm so, dass bei leichtem Bremsen ein Bremslicht
angezeigt wird und bei starkem Bremsen das Warnsignal.
Überlege: Wie funktioniert ein Beschleunigungssensor?
10Lösung 3 Bremsen
Lösung:
Lösung
Zusatz:
Beschleunigungssensoren machen sich die Trägheitskraft zu Nutze. Eine Masse wird
beweglich aufgehängt, zum Beispiel an einer Feder. Bewegt man nun den Sensor (das
Gehäuse), bleibt die frei bewegliche Masse aufgrund ihrer Trägheit an ihrer
ursprünglichen Position. Weil das Gehäuse bewegt wird, die Masse aber nicht, wird die
Feder gespannt. Es wirkt eine Kraft, woraus dann die Beschleunigung berechnet
werden kann.
11Abbildung 2: Beschleunigungssensor (Bildquelle: https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische-
schwingungen/aufgabe/beschleunigungssensor-abitur-2015-ph11-a2-3)
12Auftrag 4 Blinken
Prinzip: E.V.A.: EVA steh für Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe.
Es beschreibt das Grundprinzip der Datenverarbeitung.
Zuerst erfolgt die Eingabe durch ein Eingabegerät (z.B.
Tastatur, Knopfdruck) beziehungsweise einen Sensor. Danach werden die Daten
gemäss deinem Programm im Prozessor verarbeitet. Anschliessend erfolgt eine
Ausgabe, beispielsweise durch einen Lautsprecher oder das Leuchten von LED-
Lämpchen.
Ziel: Wenn du mit dem Fahrrad abbiegen möchtest, gibst du ein Handzeichen. Dieses
Handzeichen soll nun zusätzlich durch einen blinkenden Pfeil auf deinem SmartShirt
unterstützt werden. Da die Knöpfe aber schon mit den Nachrichten belegt sind
(Auftrag 1), brauchst du eine andere Eingabemöglichkeit.
1. Ziehe die Datei microbit-Auftrag-4-Blinken.hex in den Browser.
Schliesse den Gestensensor an Pin I2C an.
Probiere verschiedene Gesten aus.
2. Auf der kleinen LED-Matrix auf dem micro:bit soll nun ein Pfeil nach links blinken,
wenn du nach links wischst und nach rechts, wenn du nach rechts wischst.
3. Zusätzlich soll noch eine Fahrradklingel mit dem Gestensensor gesteuert werden.
Schliesse den Lautsprecher an Pin P0 an.
Programmiere eine laute Klingel, die aber nur kurz läutet.
Tipps: Kontrolliere, ob du die richtigen Pins ansprichst.
Zusatz: Ergänze: Wenn man auf einem Weg mit vielen Fussgängerinnen und Fussgängern
unterwegs ist, muss man sehr oft läuten. Programmiere eine weitere Klingel, die leiser,
aber dafür die ganze Zeit läutet. Die Klingel soll mit einer Geste eingeschaltet und mit
einer anderen Geste wieder ausgeschaltet werden können.
Überlege: Wie funktioniert ein Gestensensor?
13Lösung 4 Blinken
Lösung:
Lösung
Zusatz:
Bei der Gestenerkennung werden in der Regel kameragestützte Systeme verwendet.
Der Sensor sendet für uns unsichtbare infrarote Lichtstrahlen, welche zum Beispiel von
der Hand vor dem Sensor reflektiert werden. Wenn sich die Hand bewegt, ändert sich
die Intensität des reflektierten Lichts. Dadurch kann der Sensor Bewegungen erkennen.
14Auftrag 5 Helligkeit*
Ziel: Die Helligkeit der LEDs soll automatisch an die Helligkeit der Umgebung angepasst
werden – ähnlich wie bei einem Smartphone Display.
1. Ziehe die Datei microbit-Auftrag-5-Helligkeit.hex in den Browser.
Schliesse den Lichtsensor an Pin P0 an.
Schliesse das 4-Ziffern-Display an Pin P1 an.
Schliesse die LED-Matrix an Pin P2 an.
Setze die Variable «Licht» auf die Werte von deinem Lichtsensor.
Zeige diese Werte mit dem 4-Ziffern-Display an.
Schaue, wie sich die Werte verändern, wenn du den Raum abdunkelst, oder mit der
Hand den Sensor zuhältst.
2. Setze nun die Helligkeit deiner Matrix auf die Werte, die der Lichtsensor misst und
zeige mit der Matrix ein Bild an.
3. Wir wollen sicherstellen, dass die Matrix auch leuchtet, wenn es draussen sehr
dunkel ist.
Füge eine Bedingung ein, sodass die Matrix ab einem bestimmten Wert nicht mehr
dunkler wird.
Ansonsten soll sie Helligkeit weiterhin der Umgebung angepasst werden.
Tipps: Kontrolliere, ob du die richtigen Pins ansprichst.
Zusatz: Aufgepasst: Vielleicht ist dir beim Testen aufgefallen, dass die Matrix plötzlich wieder
dunkler wird, obwohl die Helligkeit draussen zunimmt. Dies liegt daran, dass wir für die
Helligkeit der Matrix nur Werte zwischen 0 und 255 einsetzen können, der Lichtsensor
aber höhere Werte aufnehmen kann. Ist das der Fall, beginnt der micro:bit einfach
wieder von vorne an zu zählen. Das heisst, geben wir bei der Helligkeit einen Wert von
256 ein, wird diese automatisch zur 0 und die Matrix bleibt dunkel. Geben wir
beispielsweise den Wert 260 ein, wird diese Zahl zu einer 5 und somit zwar sichtbar,
aber relativ dunkel. Probiere es aus!
Verbessere: Verändere dein Programm so, dass dieses Problem umgangen wird.
Schaffst du es, dass die Matrix zum Beispiel bei einem Wert 400 trotzdem noch nicht
mit voller Helligkeit leuchtet?
15Lösung 5 Helligkeit*
Lösung:
16Lösung
Zusatz:
17Auftrag 6 Debuggen
Ziel: Wow, du hast es bis hierhin geschafft. Super!
Jetzt hast du ein Veloshirt, dass viele
verschiedene Funktionen hat. Aber halt!
Damit du alle Funktionen gleichzeitig
benutzen kannst, müssen ja alle Programme
in einer Datei sein. Oh nein!
Kein Problem! Wir haben das für dich
gemacht. Leider sind uns dabei ein paar
Fehler unterlaufen. Finde die Fehler und
mache das Programm komplett.
Wenn du beim Auftrag 5 die dritte Teilaufgabe lösen konntest, wähle hier die
schwierige Variante.
Einfach: Ziehe die Datei microbit-Auftrag-6_einfach-Debuggen.hex in den Browser.
Schliesse den Ultraschallsensor an Pin P1, den Lichtsensor an Pin P0 und die Matrix an
Pin P2 an.
Debugge das Programm, bis alle Funktionen aus den vorherigen Aufgaben
funktionieren.
Es haben sich fünf kleine Fehler eingeschlichen.
Schwierig: Ziehe die Datei microbit-Auftrag-6_schwierig-Debuggen.hex in den Browser.
Schliesse den Ultraschallsensor an Pin P1, den Lichtsensor an Pin P0 und die Matrix an
Pin P2 an.
Debugge das Programm, bis alle Funktionen aus den vorherigen Aufgaben
funktionieren.
Es haben sich acht kleine Fehler eingeschlichen.
Tipps: 1. Bevor du grosse Änderungen machst, überprüfe zuerst, ob kleine Sachen wie die
Pins oder die Variablennamen korrekt sind. Häufig sind es nämlich genau diese
kleinen Flüchtigkeitsfehler die einem unterlaufen.
2. Verändere immer nur etwas aufs Mal in deinem Programm und teste es wieder.
Wenn du zwei Sachen änderst und beim Testen eine Veränderung feststellst,
kannst du dir nicht sicher sein, welche Änderung das bewirkt hat.
Zusatz: Ergänze: Überlege dir, wie du dein Veloshirt noch mit zusätzlichen Funktionen
erweitern kannst und versuche diese zu programmieren.
18Lösung 6 Debuggen
Lösung
einfach:
19Lösung
schwierig:
2021
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