Unterricht und Projektarbeit - zwischen schulischen Lehrplänen und universitärem Arbeitsniveau - Dr. Andreas M. Seifert

Beruflich Gymnasiale Oberstufe
am Beruflichen Schulzentrum Odenwaldkreis

   Unterricht und Projektarbeit
                               zwischen
                 schulischen Lehrplänen
                                     und
             universitärem Arbeitsniveau
                               Dr. rer. nat . Andreas M. Seifert
                                                Diplom-Physiker

Arbeiten jenseits des Lehrplans …
Ziel: Etablierung eines „universitären Klimas im Kleinen“
 Räumliche Voraussetzungen: Projektraum
 Arbeitsgebiet: MINT und Musik
 Gerätetechnische Voraussetzungen
 Vorlesungen: Zusatzfach „Physical Computing“
 Seminare: Kleinstveranstaltungen für interessierte Schüler
 Tagungen: Schülerwettbewerbe
 Diplomarbeit: „Besondere Lernleistung“ im Rahmen der
  Abiturprüfung
                   Leitgedanken
              Qualität statt Quantität!
Konsequente Weiterentwicklung von Ideen und Projekten!

„The Sound of Science & Engineering“
                 Periodische Funktionen, trigonometrische Funktionen,

M    athematik
                 Mathematik der Schwingungen und Wellen, komplexe
                 Zahlen, Differentialrechnung, Fouriersynthese u. –analyse,
                 Differentialgleichungen, numerische Verfahren u. v. m.
                 Anwendung hochspezialisierter Musiksoftware,
                 Mikrocontroller-Programmierung in C/C++, Entwicklung
 I   nformatik   maßgeschneiderter Algorithmen, Echtzeit-Programmierung,
                 Entwicklung von Treiber-Software, Interface-
                 Programmierung, Computersimulation u. v. m.
                 Physik der Schwingungen und Wellen, Akustik, Sensoren,
N
     atur-
     wissen-     Physik der Musikinstrumente, Neurologische Aspekte der
     schaften
                 Psychoakustik, akustische Täuschungen u. v. m.
                 Elektrotechnik, Elektronik, exotische analoge Bauteile und

T    echnik
                 Chips, Messtechnik, Regelungstechnik, Nachrichtentechnik,
                 Digital Signal Processing, Mikrocontroller, Interfacing,
                 handwerkliche Fertigkeiten

„The Sound of Science & Engineering“
                 Periodische Funktionen, trigonometrische Funktionen,

M    athematik
                 Mathematik der Schwingungen und Wellen, komplexe
                 Zahlen, Differentialrechnung, Fouriersynthese u. –analyse,
                 Differentialgleichungen, numerische Verfahren u. v. m.
                 Anwendung hochspezialisierter Musiksoftware,
                 Mikrocontroller-Programmierung in C/C++, Entwicklung
 I   nformatik   maßgeschneiderter Algorithmen, Echtzeit-Programmierung,
                 Entwicklung von Treiber-Software, Interface-
                 Programmierung, Computersimulation u. v. m.
                 Physik der Schwingungen und Wellen, Akustik, Sensoren,
N
     atur-
     wissen-     Physik der Musikinstrumente, Neurologische Aspekte der
     schaften
                 Psychoakustik, akustische Täuschungen u. v. m.
                 Elektrotechnik, Elektronik, exotische analoge Bauteile und

T    echnik
                 Chips, Messtechnik, Regelungstechnik, Nachrichtentechnik,
                 Digital Signal Processing, Mikrocontroller, Interfacing,
                 handwerkliche Fertigkeiten

Arbeitsgebiet I: MIDI-Kommunikation

Serielle Kommunikation zwischen
Instrumenten und kommerziellen
oder selbstentwickelten
Steuergeräten                                            Mikrocontroller-Board
                                                        (Arduino, AVRmega328)
virtuell-analoger Synthesizer
  (z. B. Roland GAIA SH-01)           MIDI-Schnittstellenmodul

                                  Beispiele:
                                  Sequencer, Drum-Machines,
                                  Entwicklung „exotischer“ Controller,
                                  „

                                  Sensorik

Hintergrund: MIDI
                                                                                      MIDI
MIDI: Musical Instrument Digital Interface                                    IN      THRU       OUT

Typische Merkmale:
 Austausch von Steuerdaten zwischen Musikinstrumenten
 allgemein anerkannter und etablierter Standard
 serielle Übertragung (31250 Bit/s) mittels Stromschleife
 unidirektional
                                                                              RX                     TX
                                                                                   Mikrocontroller
                                     NOTE ON (0x9n)
                                             NOTE OFF (0x8n)                    Typische
                    Datenbyte                                                MIDI-Schnittstelle
                                             CONTROL CHANGE (0xBn)
                    0 X X X X X X X
                                             Channel Voice/Mode       START SYS EX, SOX (0xF0)
                                                                      END SYS EX, EOX (0xF7)
 MIDI-Byte                                   1 X X X n n n n
                    Statusbyte                                        Non Real Time
                                             0x8 – 0xE   MIDI-Kanal
                    1 X X X X X X X                                   1 1 1 1 0 X X X
                                             System Common
                                                                      CLOCK (0xF8)
Klassifizierung der hier wichtigsten MIDI-   1 1 1 1 X X X X
Bytes („Softwaremodul“ MidiDecoder)
                                                                      Real Time
                                                0xF
                                                                      1 1 1 1 1 X X X

Arbeitsgebiet II: Analoge Synthesizer
Typische Merkmale:
 subtraktive Klangsynthese (Filterung obertonreicher Schwingungen)
 modulare Architektur, „Klangbaukasten“
 Spannungssteuerung klangrelevanter Parameter (VC: Voltage Controlled)
 Monophonie („keine Akkorde“)

         Audio                                                 Ausgang
                       VCO           VCF           VCA         (Audio)
         CV
         GATE

    Keyboard,
                                       ADSR          ADSR
 MIDI-to-CV/GATE-         LFO
     Interface                          1             2

Hintergrund: Simulation analoger Schaltungen
Ersatz aufwendiger und häufig unflexibler Analogschaltungen …

                                         Envelope Generator (ADSR)

… durch mikrocontrollerbasierte Simulationsschaltungen

Zusatzfach: „Physical Computing“ (Q1/Q2)
 „Kreative Anwendungen“ der Mikrocontrollertechnik
 interessanter Mix aus Hard- und Softwaretechnik,
  Interface-Techniken, (Digital-)Elektronik, Sensorik,
  Regelungstechnik u. v. m.
 Entwicklung und Bau eigenständiger Geräte für
  verschiedenste Anwendungen

Besondere Lernleistung: Merkmale
 (weitgehend) selbstständige wissenschaftliche Arbeit
  vergleichbar mit Studienarbeit, Diplomarbeit an der Uni
 nicht unbedingt eine „Erfindung“ notwendig, auch neue
  Aspekte, Ideen, Ergänzungen zu bereits bekannten
  Themen
 geht deutlich über den Stoff der Lehrpläne hinaus
 idealerweise (aber nicht zwangsläufig) interdisziplinär
  (Blick weit über den „Tellerand“ eines einzelnen Fachs)
 Themen nach Absprache (Themen vom Lehrer, Aber auch
  eigene „tragfähige“ Ideen)
 Gruppenarbeiten möglich, wenn Teilbeiträge klar
  zugeordnet werden können

Besondere Lernleistung: Anforderungen
 gute schulische Leistungen in den fachspezifischen
  Fächern
 gute schulische Leistungen im Allgemeinen
  (damit die BLL nicht zu einer Überbelastung führt)
 Ergebnisse des GEVA-Tests
  („Kann ich selbstständig auf überdurchschnittlichem Niveau
  arbeiten?“)
 Vorkenntnisse (Hobbys o. ä. …)
 Motivation und Spaß am „Forschen“
 Leistungsbereitschaft und Durchhaltevermögen
 genügend verfügbare Zeit

Besondere Lernleistung: Chancen
 wissenschaftliches Arbeiten bereits an der Schule
 unschätzbare Hilfe bei Wahl eines Studien- oder
  Ausbildungsfachs
 Erwerb überdurchschnittlicher Fach-, Methoden-,
  Problemlösungskompetenz
 das gute Gefühl, etwas zu leisten, was in dieser Form nicht
  jeder leisten kann
 Kreativität („die Fesseln der Lehrpläne sprengen …“)
 Wettbewerbsteilnahme mit allen damit verbundenen
  Vorteilen
 Persönlichkeitsentwicklung

Besondere Lernleistung: Zeitplan
 Auftakt: Suche bzw. Grobformulierung eines Themas (Q1)
 Erste Experimente, Berechnungen etc. („Tragfähigkeit des
  Themas“)
 Eigentliche Bearbeitungszeit
 Offizielle Anmeldung (Anfang Q3)
 „Fein-, Nachjustierung“
 Verfassung der schriftlichen Arbeit
 Abgabe der Arbeit (Q4)
 Vorbereitung der Präsentation/Prüfung
 Finale: Präsentation/Prüfung im Rahmen der Abiturprüfung

Erfolgreiche Wettbewerbsteilnahme
                                   Jugend forscht
                                   2010: Bundessieg Physik
                                   2013: Landessieg Mathematik

                                            Christian-Ernst-Neef-Preis

NATURpur-Award 2008

      Professor-Walter-Masing-Preis

Geistesblitze: Junge Odenwälder forschen

Kooperation Seifert (BSO) / DHBW Mosbach
 Honorardozent am Fachbereich Mechatronik der DHBW
 Vorlesungen Elektrotechnik I, II und Elektronik I, II

 Wechselseitige Inspiration und Transfer zwischen
  Studienarbeiten an der DHBW und Arbeiten am BSO

On the road: Hessentag 2014 in Bensheim

NATURpur-Award 2008

      Professor-Walter-Masing-Preis

Wie bei der DB: Führerstandssimulator