Digitales Labor
Joseph-von-Fraunhofer-Gymnasium Cham
Dr.-Muggenthaler-Straße 32
93413 Cham
Deutschland
„Dem Menschen des 21. Jahrhunderts bieten sich ungeahnte Chancen und neue Herausforderungen. Die „Digitale Revolution“ ist nicht nur technischer Fortschritt, sie verändert das individuelle und gesellschaftliche Leben fortgesetzt und tiefgreifend. Sie betrifft alle Menschen unseres Landes und durchdringt sämtliche Lebensbereiche. […] Die inhaltliche Auseinandersetzung mit der Digitalisierung und deren Einfluss auf Arbeitsweisen und Methoden sind von zentraler Bedeutung für den Bildungsauftrag der Schule. Digitalisierung ist damit sowohl Gegenstand von Bildung als auch ein Werkzeug im Bildungsprozess. Im Bereich von Kunst und Kultur eröffnet sie zudem neue Zugänge.“ („Zukunftsstrategie der bayerischen Staatsregierung zur Digitalen Bildung in der Schule“, Januar 2016)
Grundvoraussetzung dafür, dass eine Schule dieser Aufgabe gerecht werden kann, ist zunächst die IT-Sachausstattung. Das Joseph-von-Fraunhofer-Gymnasium hat diese Entwicklung schon früh aufgegriffen (z.B. drei Computerräume, Dokumentenkamera und Beamer sowie Lan und Wlan in jedem Unterrichtsraum, mobiler Klassensatz an Tablets). Das Digitale Labor ist nun ein weiterer Schritt in diese Richtung (z.B. digitale Sensoren, 3D-Drucker, CO2-Laser-Schneider, Laptops und Tablets an jedem Arbeitsplatz). Der Landkreis Cham als Sachaufwandsträger hat diese Initiative unter Einbeziehung der Förderungen durch den Masterplan BAYERN DIGITAL II und als MINT-Region stets unterstützt.
Parallel zu den Aktivitäten im Rahmen der Medienkompetenz (d.h. dem Lernen über Medien) soll auch die Mediendidaktik (d.h. das Lernen mit Medien) an unserer Schule noch stärker aufgegriffen werden. Hier setzt das Digitale Labor an. Das Arbeiten mit digital vernetzten Medien und Werkzeugen ist insbesondere im MINT-Bereich von großer Bedeutung. Die Schüler aller Schulen des Landkreises sollen – im Regelunterricht und darüber hinaus – in unserem Labor die Gelegenheit bekommen, bei vorgegebenen Versuchen oder eigenständigem Ausprobieren die vielfältigen kreativen Möglichkeiten und Vorteile digitaler Werkzeuge selbst zu erleben und zu erfahren. Nicht zuletzt leistet das Labor damit einen Beitrag zur Beseitigung des MINT-Fachkräftemangels.
Seinen Sitz hat das Digitale Schülerlabor am Joseph-von-Fraunhofer-Gymnasium, das bei der Einrichtung finanziell unterstützt wurde durch den Landkreis Cham als Sachaufwandsträger und als MINT-Region, der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, der Raiffeisenbank Cham, der Volksbank Straubing und den vielen Crowd-Funding-Spendern. Es besitzt 16 Schülerarbeitsplätze und steht auch den anderen Schulen des Landkreises zur Verfügung. In diesem Labor können die Schüler unter Anleitung oder auch selbständig naturwissenschaftlich arbeiten. Gedacht ist dabei zum einen an kürzere Versuche mit einem Zeitbedarf von etwa zwei Unterrichtsstunden, die dadurch auch von Schülern anderer Schulen während der Unterrichtszeit bearbeitet werden können. Mit dem Schülerlabor werden aber ebenso tiefergehende Projekte möglich, die über einen längeren Zeitraum laufen, wie etwa Seminararbeiten, Abschlussarbeiten oder Wettbewerbsarbeiten (z. B. Jugend forscht) und Elektronikkurse.
Einige ausgewählte Beispiele sollen die angestrebte Themenvielfalt verdeutlichen:
• Digitale Spektrometer und eine leistungsstarke zugehörige Analysesoftware ermöglichen (unter Einbeziehung der Sternwarte am JvFG) die Untersuchung der Spektren der Sonne (Fraunhofer-Linien), weiterer Sterne oder interstellarer Nebelgebiete. Genauso können auch die Spektren anderer Lichtquellen (z.B. von unterschiedlichen Lampen und Flammen) analysiert werden.
• Mit Sensoren lassen sich Messdaten leicht und schnell erfassen, speichern und digital aufarbeiten. Langzeitmessungen oder die Erfassung von sehr schnell ablaufenden Vorgängen werden durch Sensoren deutlich vereinfacht oder gar erst ermöglicht.
• Die Module Analog- und Digitalelektronik sind so angelegt, dass mit Hilfe vieler kleinerer Bausteine bzw. Experimente nach und nach ein immer tieferes Verständnis für diese Disziplin reifen soll. Das Schülerlabor soll dabei Raum, Werkzeug, Material und Know-How bieten, um Schülern die Möglichkeiten zu geben, zunächst Schaltungen bzw. bestehende Projekte nachzubauen und in weiteren Schritten dann selbstständig elektronische Schaltungen zu entwerfen und zu testen. Das beginnt mit einfachen analogen Schaltungen, wie z.B. einem LED-Wechselblinker, einer Dämmerungsschaltung oder verschiedenen Verstärkern, die auf einem Transistor beruhen. Nach einem ersten Kennenlernen der Bauteile in Schaltungen der Analogelektronik, können dann in einem weiteren Schritt Microcontroller, wie Calliope, Arduino oder ESP8266-Node-MCU verwendet werden und damit Sensorwerte eingelesen, Aktoren angesteuert oder Informationen auf LED-Panels ausgegeben werden. Unter Verwendung des Einplatinenrechners RaspberryPi, der natürlich auch zur Steuerung von Projekten eingesetzt werden kann, haben die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, ihre durch Sensoren erhaltenen Werte in Datenbanken zu sammeln und graphisch aufbereitet auf einem Server zur Verfügung zu stellen. Auch reine Software-Projekte, wie ein Medienserver, ein selbst erstellter Web-Filter oder eine eigene Cloud sind damit einfach und kostengünstig umsetzbar. Im Zusammenwirken der einzelnen Schaltungen und Controller in größeren Projekten wird die Dimension des Begriffs Digitalisierung, wie er im aktuellen Sprachgebrauch verwendet wird, aber erst klar. Dieses Zusammenwirken ist die Grundlage für längerfristige Erweiterungsmodule (z. B. Wetterstation mit Raspberry Pi und Arduino, Bau eines selbstfahrenden Elektroautos, Bau einer vollautomatischen Produktionsstraße für ein Produkt aus verschiedenen Rohstoffen).
• Die Platine Calliope kann sowohl für kurze Versuche oder für eine ganze Unterrichtssequenz genutzt werden. Mit Hilfe der auf der Platine vorhandenen Sensoren können Umgebungsparameter erfasst und Reaktionen darauf erzeugt werden. Die Ausgabe erfolgt auf einer LED-Matrix, einer farbigen LED oder durch einen Lautsprecher. Mit Hilfe eines Steckbrettes können die auf der Platine vorhandenen Möglichkeiten ergänzt werden. So wird für die Schüler begreifbar, wie das am Computer gefertigte Programm auf einen Microcontroller übertragen wird und dort Reaktionen auf Umwelteinflüsse beobachtbar werden.
• Mit einem 3D-Drucker können viele praktische Dinge des Alltags designt und sofort gedruckt werden. Für die Schülerinnen und Schüler bietet der 3D-Drucker vielfältige Möglichkeiten, Interessen und MINT-Fächer zu verbinden, indem z.B. Schmuck oder andere ästhetisch-gestalterische Objekte am PC gezeichnet, mit den bestmöglichen Parametern in Maschinencode umgewandelt und anschließend gedruckt werden. Außerdem erlaubt ein 3D-Drucker dem Erfinderclub Nussknacker am Fraunhofer-Gymnasium die Herstellung und den Test von Prototypen für Erfindungen.
• Ähnliche kreative und künstlerische Möglichkeiten – allerdings nur für zwei Dimensionen – eröffnen sich bei einem CO2-Laser-Schneider. Hierfür lernen die Schülerinnen und Schüler – angeleitet oder im Selbststudium zu Hause –, 2D-Vektorzeichnungen in einfachen 2D-CAD-Freeware-Programmen zu erstellen. Diese digitalen Zeichnungen können kostenfrei von jedem in der Schule oder zu Hause angefertigt werden. Mit dem gewünschten Material (Holz, Kunststoffe, Metalle, Glas) kann dank der relativ hohen Schnittgeschwindigkeit von bis zu 100 mm/s (abhängig vom Material und der Materialdicke) das Werkstück hergestellt werden.
Ausgelöst durch technische Neuerungen ergeben sich in der Berufs- und Lebenswelt immer wieder neue Herausforderungen. Auf diese Situation muss die Schule eingehen. Im Digitalen Labor finden die Schüler die örtlichen und apparativen Voraussetzungen, den sinnvollen, aber auch kritischen Umgang mit digital vernetzten Medien kennenzulernen, auszuprobieren und einzuüben.
Weitere Informationen ...
Zurück
