In diesen Unterrichtseinheiten beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler vertieft mit dem IR-Sensor des Roboters. Das Arbeitsblatt 14 thematisiert den Aufbau und die Funktion des Sensors und behandelt insbesondere das verwendete Reflexionsverfahren. Die SuS lernen, dass der Sensor sowohl berührungslos Objekte detektieren und nah und fern unterscheiden kann, als auch als Detektor für Tageslicht verwendet werden kann. Diese verschiedenen Einsatzbereiche können anschaulich als Sende- und Empfangssignale des Sensors am Oszilloskop veranschaulicht werden (siehe Arbeitsblatt). Als Anwendungsbeispiele programmieren die SuS einen Parksensor als Assistenzsystem und einen Tageslichtsensor, der z.B. in Smart-Home-Anwendungen zum Einsatz kommen kann.

Die Schüler lernen zunächst, dass der IR-Sensor aus zwei Teilen besteht, die verschiedene Aufgaben übernehmen: Eine IR-Sende-LED sendet Infrarotlicht aus und ein IR-Empfänger dient zur Detektion von IR-Licht. www.bob3.org Seite 27 Programmieren lernen mit BOB3 – Modul 3 Das Reflexionsverfahren Die Schüler lernen, dass die Detektion von nah oder fern nach dem Reflektionsverfahren funktioniert: Die IR-Sende-LED sendet IR-Licht aus, dieses trifft dann auf ein Objekt oder ein Hindernis (z.B. ein Blatt Papier oder eine Hand), wird von dem jeweiligen Objekt zurückreflektiert und kann so von dem IR-Empfänger empfangen werden. Je näher das Papier vor dem Sensor ist, desto mehr IR-Licht detektiert der IR-Empfänger. Falls das Papier weiter entfernt vom Sensor ist, wird wenig reflektiertes IR-Licht detektiert. Anhand des Anwendungsbeispiels ‚Parksensor‘ diskutieren und vertiefen die SuS das erlernte Reflexionsverfahren:

Bob‘s Arme sind Multifeld-Touch-Sensoren, die aus Mess- und Aktivierungsfeldern bestehen und mit dem Zeit-Multiplex-Verfahren angesteuert werden.

Die Signale der IR-Sende-LED und des IR-Empfängers lassen sich sehr gut mit einem Oszilloskop veranschaulichen. In den folgenden Grafiken sieht man als obere Kurve das Signal des IR-Empfängers und als untere Kurve das Sende-Signal der IR-LED: Um das Messverfahren im Detail verstehen zu können, besprechen die Schüler die drei Szenarien:

• Keine Reflexion, kein Tageslicht
• Reflexion an einer Hand, kein Tageslicht
• Keine Reflexion, mit Tageslicht

Zur Ansteuerung des IR-Sensors stehen in der Software-Bibliothek des BOB3 fertig implementierte Methoden zur Verfügung. Die Schüler beschäftigen sich mit der genauen Bedeutung der verschiedenen Methoden und deren Rückgabewerten und Parametern.
Die Lerneinheit enthält eine offene Aufgabe aus der Erlebniswelt der Schüler, um die bisher gelernten Konzepte und Strukturen zu vertiefen und anzuwenden: Die Schüler bekommen die Aufgabe, BOB3 so zu programmieren, dass er als Parkassistenzsystem verwendet werden kann. Die Schüler diskutieren zunächst, was ein Parkassistenzsystem ist und welche konkreten Eigenschaften solch ein System bietet. Anschließend entwickeln sie Lösungsansätze für die Umsetzung mit BOB3.

Offene Aufgabe - Parksensor

Die Schüler werden in Gruppen eingeteilt und erarbeiten konkrete Lösungsansätze für das Problem. Sie teilen das Hauptaufgabe in verschiedene zu lösende Teilaufgaben und entwickeln so Meilensteine, die die Gruppen jeweils individuell umsetzen:

Smart-Home Anwendung – Tageslichtsensor

Die Lerneinheit ‚Programmierung eines Tageslichtsensors‘ enthält die Aufgabe, BOB3 so zu programmieren, dass er mithilfe seines IR- Sensors detektiert, ob er sich im Dunkeln oder im Tageslicht befindet. Zunächst lernen die Schüler, welche verschiedenen Lichtarten es gibt und wie diese sich unterscheiden: Die Schüler lernen, dass Tageslicht aus IR-Licht, also aus sichtbarem Licht und aus UV-Licht besteht. Glühlampen haben einen IR-Anteil, einen sichtbaren Anteil und einen UV-Anteil. LED-Lampen und Neonröhren haben dagegen nur einen sichtbaren Anteil! BOB3 detektiert also mit dem IR-Sensor den IR-Anteil im Tageslicht und kann so dunkel und hell unterscheiden. Sobald der Sensor feststellt, dass es dunkel ist, sollen alle LEDs eingeschaltet werden. Dies ist eine typische Smart-Home Anwendung einer automatischen Beleuchtung. Die Schüler bearbeiten die Aufgabe 5 des Arbeitsblatts und besprechen ihre Lösungen. Zur Programmierung verwenden die SuS die Funktion bob3.getIR-Light() und speichern den abgefragten Sensorwert in einer Integer Variablen. Mittels einer if-else Abfrage wird die Auswertung implementiert: Je nach Sensorwert werden die LEDs ein- oder ausgeschaltet.

Differenzierung – Grenzwerte manuell setzen

Zur weiteren Differenzierung kann das Programm von den Schülern so erweitert werden, dass die Lichtempfindlichkeit über das Berühren von Arm 2 gesteuert wird: Die Schüler deklarieren eine globale Variable grenzWert und initialisieren diese mit dem Wert 10. Immer, wenn Arm 2 oben berührt wird, soll die Variable grenzWert um 10 erhöht werden. Wenn Arm 2 unten berührt wird, soll die Variable grenzWert jeweils um 10 vermindert werden. Die Schüler testen ihre implementierte Lösung und diskutieren, warum die Variable grenzWert als globale Variable und nicht als lokale Variable definiert wird. Abschließend bearbeiten die Schüler die passende Wissensabfrageeinheit.

Lernmaterialien / interaktive Lerneinheiten:

didaktische Informationen: