Die Ideen zum Arduino-Kurs (I)

Ende Februar 2015 biete ich zusammen mit CASA e.V. noch einen Workshop an - "Eine Einführung in Arduino". Die Zielgruppe sind die Kinder ab 4. Klasse.

Die Inhalte sind bis jetzt nur sehr grob definiert. Ich werde versuchen sie bis zu Mitte Februar auszuarbeiten und die Experimente auf die Kindertauglichkeit zu testen.
Zu der Idee für einen Arduino-Workshop bin ich durch die Webseite von Devoxx4Kids gekommen.
Devoxx4Kids organisiert weltweit die Computer-, Robotik- und Elektronikkurse für Kinder. Es gibt zahlreiche Anleitungen zu den Kursen und viele Videos von den Kursen.

Vom Umfang her, planen wir 10 Kinder an 5 Arbeitsplätzen und 3-4 Stunden. In der Zeit schafft man natürlich nicht viel. Es soll vorerst ein Test sein, wie gut es bei den Kindern ankommt. Wenn wir sie für Arduino begeistern werden, dann werden wir den Workshop zu einem Kurs ausbauen. Das Gute dabei ist, es werden kaum weitere Materialkosten entstehen.

Bei der Wahl der Hardware bin ich mir noch nicht schlüssig. Entweder machen wir es klassisch - Arduino UNO und breadboard.

Oder, wozu ich eher tendiere, wir nehmen die Nanos mit erweiterten Stiftleisten.

Davon habe ich bereits 5 Stück zusammen gelötet. Den Vorteil bei dieser Variante sehe ich in Zeitersparnis. Ich denke, bis alle verstanden haben, wie die Reihen und Spalten bei einem Breadboard verbunden sind, kann einige Zeit vergehen. Bei dieser Variante würde ich die Jumper-Drähte an die Bauelemente direkt auflöten, so dass die Kinder diese für jeweilige Experiment nur an die Richtigen Pins aufstecken müssen. Die LEDs will ich ebenfalls schon mit den Widerständen vorbereiten. Die Kinder sollen diesmal nur das Konzept von Ein-, Ausgängen lernen. Strom und Spannung in die Einführung zu packen, finde ich zu umfangreich.

Wie auch bei dem letzten Workshop, sollten die Kinder etwas nach Hause mitnehmen, damit die Eltern, Geschwister und Freunde sehen, was sie Im Kurs gemacht haben. Die Boards mitzugeben (die Kosten nichts - 2,50 bei AliExpress. Von Kosten her wäre das kein Problem), macht wahrscheinlich wenig Sinn, es sei denn die Kinder bringen ihre eigene Laptops mit und richten Arduino auf ihnen ein. Das wird bei unseren Kindern eher eine Ausnahme sein.
Dennoch möchte ich, dass sie etwas mitnehmen, an dem sie gebastelt haben.
Meine Idee ist, die Kinder sollten eins von den Programmbeispielen, das sie im Workshop erstellen, mit USBasp in einen ATTiny85 laden. Die ATTiny 85 sind noch günstiger - ca. 90ct bei Reichelt.

Von den USBasp habe ich mir 3 Stück besorgt. Das sollte reichen. Nur wie die Schaltung realisiert werden soll, da bin ich mir noch nicht schlüssig. Die Räume sind zum Löten nicht geeignet.

Aus dem letzten Kurs haben die Kinder die "Reißzwecken Technologie" kennen gelernt. Deshalb wollte ich ausprobieren, ob diese Art, einfachste elektronische Schaltungen zu realisieren, auch für uC-Schaltungen geeignet ist. Dabei wird Attiny in einen IC-Sockel gesetzt. Bei dem IC-Sockel würde ich vorher die längeren Drähte an jedes Pin löten. Im Prinzip ging das, so wie die Ampel-Schaltung unten zeigt.

Allerdings ist es schon zeitaufwändig. Eine Stunde bräuchten die Kinder dafür. Als weitere Ideen für eigene Schaltung zum Mitnehmen wären:

Ampel

Blumen-Erde Feuchtigkeitsmessung

Radlicht

Alarmanlage mit Reed-Kontakt

Alarmanlage mit Lichtsensor

Ereigniszähler (z.B. Schublade geöffnet)

Dämmerungsschalter

TV-b-gone

Thermostat + Ventilator

Morse-Code

Musikkarte

Klatschschalter

Geheimklopfzeichenschloss

Personenzähler

Bewegungsmelder

RGB-LED

Heisser Draht

Verzögerungsschalter

Duplo-Roboter

Nach einigen Experimenten mit dem CD-Roboter vom letzten Post habe ich festgestellt, dass meine Kinder dafür wenig Interesse zeigen. Vermutlich, weil sie selbst daran nichts ändern können. Außer ein- und auszuschalten könnten sie auch keinerlei Einfluss auf den Ablauf des Programms nehmen. Meine zwei Söhne interessieren sich schon sehr für Technik. Sie drehen an jeder Schraube, die für Kinderfinger nicht zu fest sitzt und drücken jeden Knopf, den sie drücken können. Die Chancen stehen schon nicht schlecht, dass sie sich für einen Roboter, an dem sie herum-basteln könnten, auch begeistern würden.
Also versuche ich derzeit, ein Paar Motoren und Knöpfe mit den DUPLO-Bausteinen von Lego zu verbinden. Und das funktioniert besser als ich erst erwartet hatte. Die Getriebemotoren lassen sich leicht mit den 30mm- langen M3 Schrauben verbinden.

Mit 2 Laufrädern von OPITEC und einem DUPLO-Einzelbaustein wurde für den (noch) 3-Rad Roboter das hintere Schwenkrad gemacht.

Das Arduino-Nano Board mit den Batterien werde ich in einem DUPLO-Würfel unterbringen und die Ein-, Ausgangsanschlüsse mit den 3mm Stereo Kopfhöreranschlüssen nach außen herausführen. Die 3mm Audio-Anschlüsse waren für mich ein guter Kompromiss zwischen der Nicht-DIN-Konformität und dem Preis/Größe/Robustheit.

Ich habe noch vor,  einige Sensoren in den DUPLO-Bausteinen zu unterbringen - Schalter, Abstandssensor, Lichtsensor.

Hier ist ein kurzes Video von der ersten Probefahrt bei youtube: http://youtu.be/CgjLcGNdvlU

CD-Roboter als Linienverfolger

Das CD-Roboter-Prototyp hat heute die erste Probefahrt bestanden. Mit einem Aufsatz vorne bestehend aus zwei Photowiderständen, einem hellen LED und drei Widerständen konnte ich den Roboter mit der Linienverfolgefunktion ausstatten. Die Photowiderstände waren leider nicht vom gleichen Typ, so musste ich etwas messen und ausprobieren. Viele Schaltungen für die Liniendetektion benutzen Potentiometer. Ich hatte gerade keine zur Hand, aber Arduino kann ja auch selbst ausrechnen, was der Unterschied zwischen hell und dunkel ist. Wichtig ist nur, dass die Photowiderstände in einem möglichst linearen Bereich zwischen dem hellen und dunkleren Bereichen arbeiten.

Als Spannungsteiler nahm ich etwa gleich große Widerstandswerte, wie die Werte der LDRs bei dunkel.
Das LED befindet sich in der Mitte zwischen beiden LDRs. Diese Positionierung ist gut geeignet für eine helle Linie auf dunklem Hintergrund.

Erstellt mit Circuit-Lab

Vor der Fahrt wird der Roboter kalibriert. Nach dem ersten Blinken hat man 2 Sekunden Zeit den Roboter auf die Linie zu stellen. Die Helligkeit der Linie wird gemessen. Danach blinkt es 2-mal - man sollte den Roboter auf den Hintergrund stellen. Es wird die Helligkeit des Hintergrundes gemessen. Danach folgt 3-mal Blinken und nach 3 Sekunden (Zeit um den Roboter wieder auf die Linie zu stellen) fährt der Roboter los.

Auf dem Video sieht man, dass der Roboter die Linie aus der Mitte selbstständig findet. Leider hatte ich gerade keine dunklere Fläche als Pappkarton, so dass die Probefahrt im Dunkeln stattfinden sollte - damit der Kontrast zwischen hell und dunkel ausreichend war.
Das Algorithmus ist sehr einfach. Nach der Kalibrierung wird für jedes LDR ein Threshold für Dunkel ausgerechnet, das von mir willkürlich als die Mitte zwischen Hell- und Dunlkel definiert wurde.
Wenn die Werte beider LDRs unterhalb (hell) des Thresholds liegen, fährt der Roboter vorwärts. Wird an einer Seite dunkler (LDR Wert > Thresholds), gibt es eine leichte Drehung in die entgegengesetzte Richtung. Wenn beide LDRs zu dunkel messen, fährt der Roboter zurück mit leichter Drehung nach rechts.

Hier ist das Arduino -Quellcode:

/*
CD-Roboter Tests
Valentin Heinitz, 2014-10-30
http://heinitz-it.de
Die Software ist Public-Domain.

Einfacher Linienverfolger. Linie ist heller als sonstige Fläche.
Vor der Fahrt erfolgt die Kalibrierung - Aufnahme der Lichtintensitäten über der hellen und dunklen Flächen.

uC: Arduino Nano
Motorentreiber L293D

*/
void motors_stop() {
  digitalWrite(2, HIGH);
  digitalWrite(3, HIGH);
  digitalWrite(4, HIGH);
  digitalWrite(5, HIGH);
}

void motorR_fw() {
  digitalWrite(3, HIGH);
  digitalWrite(2, LOW);
}

void motorL_fw() {
  digitalWrite(4, HIGH);
  digitalWrite(5, LOW);
}

void motorR_bw() {
  digitalWrite(2, HIGH);
  digitalWrite(3, LOW);
}

void motorL_bw() {
  digitalWrite(5, HIGH);
  digitalWrite(4, LOW);
}

void turnRight( int ms)
{
    motorR_bw();
    motorL_fw();
    delay(ms);
    motors_stop();
}

void turnLeft( int ms)
{
    motorR_fw();
    motorL_bw();
    delay(ms);
    motors_stop();
}

void forward( int ms)
{
  int steps = ms/20;
  for( int i=0; i<steps; ++i)
  {
    digitalWrite(6, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(6, LOW);
    int distance = pulseIn(7, HIGH) / 2;
    if ( distance < 700 )
    {
     
      break;
    }
    else
    {
      motorR_fw();
      motorL_fw();
      delay(20);
    }
  }
  motors_stop();
}

void backward( int ms)
{
    motorR_bw();
    motorL_bw();
    delay(ms);
    motors_stop();
}

int DirMostRight=0;
int DirRight=1;
int DirFront=2;
int DirLeft=3;
int DirMostLeft=4;
int ObstacleRange=700;
int ShortThoughtTime=500;
int LongThoughtTime=2000;
int GoRange=1000;
int ranges[5]={0,0,0,0,0};

const int lrdLeft = A0;
const int lrdRight = A1;

int vLeft = 0;
int vRight = 0;

void checkObstacle()
{
 
  turnRight(200);
  digitalWrite(6, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(6, LOW);
  ranges[0] = pulseIn(7, HIGH) / 2;
  delay(ShortThoughtTime);
  turnLeft(100);
  digitalWrite(6, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(6, LOW);
  ranges[1] = pulseIn(7, HIGH) / 2;
  delay(ShortThoughtTime);
  turnLeft(100);
  digitalWrite(6, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(6, LOW);
  ranges[2] = pulseIn(7, HIGH) / 2;
  delay(ShortThoughtTime);
  turnLeft(100);
  digitalWrite(6, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(6, LOW);
  ranges[3] = pulseIn(7, HIGH) / 2;
  delay(ShortThoughtTime);
  turnLeft(100);
  digitalWrite(6, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(6, LOW);
  ranges[4] = pulseIn(7, HIGH) / 2;
  delay(ShortThoughtTime);
  turnRight(200);
}

int vleftRefLine=0;
int vleftRefOffroad=0;

int vrightRefLine=0;
int vrightRefOffroad=0;

int thleft=0;
int thright=0;

void setup() {
  pinMode(2, OUTPUT);
  pinMode(3, OUTPUT);
  pinMode(4, OUTPUT);
  pinMode(5, OUTPUT);
  pinMode(6, OUTPUT);
  pinMode(7, INPUT);
  pinMode(8, OUTPUT);
  motors_stop();
  Serial.begin(9600);          
  Serial.write("CDRobot: Version 0.1\n");
  Serial.write("Copyright: 2014, heinitz-it.de\n");
  //delay(5000);
 
  digitalWrite(8, HIGH); //1-Mal blinken: Aufnahme der Lichtintensitaet auf der Linie (Hell)
  delay(100);     
  digitalWrite(8, LOW);
 
  delay(2000);   
  digitalWrite(8, HIGH);
  delay(300);   
  vleftRefLine = analogRead(lrdLeft); 
  vrightRefLine = analogRead(lrdRight); 
  digitalWrite(8, LOW);
  delay(1000);
 
  digitalWrite(8, HIGH); //2-Mal blinken: Aufnahme der Lichtintensitaet ausserhalb der Linie (dunkler)
  delay(100);     
  digitalWrite(8, LOW);
  delay(100);
  digitalWrite(8, HIGH);
  delay(100);     
  digitalWrite(8, LOW);
 
  delay(2000);
  digitalWrite(8, HIGH);
  delay(300);    
  vleftRefOffroad = analogRead(lrdLeft); 
  vrightRefOffroad = analogRead(lrdRight);
  digitalWrite(8, LOW);
  delay(1000);
 
  digitalWrite(8, HIGH); //3-Mal blinken: Auf die Linie stellen, gleich geht's los
  delay(200);     
  digitalWrite(8, LOW);
  delay(100);
  digitalWrite(8, HIGH);
  delay(200);     
  digitalWrite(8, LOW);
  delay(100);
  digitalWrite(8, HIGH);
  delay(200);     
  digitalWrite(8, LOW);
 
  delay(3000);
 
  thleft = (vleftRefLine -vleftRefOffroad)/2 + vleftRefOffroad;
  thright = (vrightRefLine -vrightRefOffroad)/2 + vrightRefOffroad;
 
  vLeft = analogRead(lrdLeft); 
  vRight = analogRead(lrdRight);
  Serial.print("Lth = " );                      
  Serial.print(thleft);     
  Serial.print("\t Rth = ");     
  Serial.println(thright); 
  digitalWrite(8, HIGH); 
}


void loop()
{
  vLeft = analogRead(lrdLeft); 
  vRight = analogRead(lrdRight);
 
  if( vLeft > thleft && vRight > thright )
  {
    backward(50);
    turnRight(20);
  }
  else if( vLeft > thleft )
  {
     turnRight(30);
  }
  else if( vRight > thright )
  {
     turnLeft(30);
  }
  else
  {
    forward(30);
  }
  delay(10);
}

CD-Roboter - ein Lernroboter für 10Euro

Seit einiger Zeit überlege ich mir, welche Baukästen oder fertige Roboter man in einem Kinderkurs für Roboterbau und Programmierung wohl benutzen könnte. Die Aufgaben, die die Kinder und die Jugendlichen in so einem Kurs lösen müssten, wären die gewöhnlichen Standardaufgaben:

• Eine vorgegebene Route abfahren
• Eine Linie verfolgen
• Aus einem Labyrinth entkommen
• Einem Lichtpunkt nach fahren

Die Lego-Roboter kommen für mich allein aus dem Preisgrund nicht in Frage. Ich habe mir erst die Preisgrenze bis 50Euro gesetzt. Für den Preis eines Lego Baukastens könnte man damit schon 5-6 Roboter anschaffen, was für eine Klasse schon ausreichend wäre.
Mein erster Ansatz war dieser Fahrgestell mit Arduino UNO und dem  Motorentreiber-Board:

Quelle: amazon.de, http://ecx.images-amazon.com/images/I/513vDuODwCL._SX425_.jpg

Von diesem Teil war ich begeistert. Alles zusammen kostete auch etwa zw. 40 und 50 Euro.
Ein 15-jähriger Sohn eines Freundes (meine Söhne sind noch zu klein dafür :-) brauchte weniger als 2 Stunden, um den Roboter aufzubauen. Nach einer Stunde Programmierung fuhr der Roboter schon herum.
Das teuerste an dem Ganzen war allerdings das Fahrgestell - ca. 20 Euro. Auch die Motorentreiber-Platine war für meinen Fall überdimensioniert und zu teuer. Ein L293D wäre für mich völlig ausreichend. Ein weiteres Manko sind die Motoren. Es sind die günstigen und einfachsten DC Motoren, die man bei Pollin.de schon für 50cent bekommt. Die Batterien halten mit solchen Motoren nicht lange.
Das alles wäre noch akzeptabel für einen Kurs. Nur die Erfahrung aus einem anderen Kurs hat gezeigt, die Kinder werden viel mehr motiviert, wenn Sie das, woran sie arbeiten und basteln am Ende des Kurses auch mitnehmen können. So habe ich mir ein neues Ziel gesetzt - Roboter für 10Euro Materialkosten.

Nach einigen Experimenten und durchstöbern der Onlinekataloge kam ich  auf einen Prototyp, der dem Ziel schon sehr naht.

• Statt UNO kommt jetzt Arduino Nano zum einsatz - 7.0 Eur.
• Ein L293D dient als Motorentreiber - 1,20
• Als Motoren dienen die Solarmotoren RF 300 2 x 1,90 Eur
• Die Lauf- und die Zahnräder sind von Opitec.de - < 1 Eur
• Das Getriebe wird auf einem Winkelprofil von Hornbach (1,65 pro Meter) aufgebaut. 
• Als Achsen dienen M3 Schrauben, ebenfalls von Hornbach.
• Alles wird an 2 alten CD mit Heißkleber befestigt.

Alles in einem unter 15 Euro. Wenn man die Bauteile bei aliexpress.com in größeren Mengen bestellt, kommt man auf deutlich unter 10 Euro!

Die ersten Tests mit dem Prototyp waren recht positiv. Der Roboter ist sehr wendig, die Fahrtgeschwindigkeit (ca 0,5 m/s) ist genau die richtige für die Tests in einem Raum.
Sobald ich mit den Tests und den Verbesserungen fertig bin, werde ich eine detaillierte Beschreibung in weiteren Blogs veröffentlichen. Es gibt noch einiges an der Konstruktion der Getriebe zu verbessern, so dass die Kinder ab 11 Jahren so einen Roboter in etwa 1 Stunde selbständig zusammenbauen könnten.

Zur Programmierung  habe ich Minibloq ausprobiert. Die einfachen Fahrtenprogramme  mit fester Route konnte ich schnell zusammen klicken. Für die Ansteuerung von Sensoren ist allerdings ein Hardwaredefinition-Profil nötig. Sobald ich mir schlüssig bin, welche Sensoren ich für alle Lernziele brauche, werde ich probieren so einen Profil für meinen "CDRoboter" zu erstellen.

Hier sind einige Bilder des Prototyps:

Offensichtlich bin ich nicht der Erste, der nach einem sehr günstigen Lernroboter sucht oder es vor hat, einen zu bauen. Allerdings habe ich meine Preisgrenze von 10 Euro noch bei keinem Modell gesehen.

• Grove Enterprises LLC beschreibt auf ihrer Seite http://superawesomerobots.com/ ihr Vorhaben, einen Roboterbausatz für 50-70 $ zu entwickeln.
• MIT hat einen Lern-Roboter für 20$ entwickelt: https://sites.google.com/site/mitprintablerobots/
• ArduBot ist ein auf einer spezieller Lochrasterplatine aufgebautes Fahrgestell. Die Kosten einer solchen Platine liegen schon bei über 10 Euro. Da komme ich mit zwei zusammen geklebten CDs deutlich günstiger weg.
• Institut für Robotik und Mechatronik bei DLR hat schon vor einiger Zeit ASURO entwickelt. Preis ca. 50 Euro. ASURO wurde noch in pre-Arduino Zeit geschaffen und nach heutigem Stand der Technik völlig veraltet. Sehr viele diskrete Bauelemente machen den Aufbau nur für geübte Hobbyelektroniker möglich.
• Die Frima Conrad Elektronik bietet einen ASURO-ähnlichen Bausatz PRO-BOT128 für ebenfalls ca. 50 Euro an. Allerdings kostet die Entwicklungsumgebung noch extra.
• Die Firma Elenco bietet viele gut aussehende Roboterbausätze mit mMn. wenig didaktischem Nutzen. z.B. dieser Käferroboter. Die Roboter von Elenco haben sehr hochwertige und leicht aufzubauende Mechanik, sind aber nicht programmierbar. Auch die Preise fangen bei einfachsten Modellen mit 20Euro an.
• Das Frauenhofer Institut hat einige Roboterkurse für die Schulen ausgearbeitet und daraus resultierend als Roberta kommerzialisiert. Die Roboter-Kits basieren auf  Lego - wie originell! Die Initiative wurde anscheinend mit öffentlichen Mitteln finanziert. Die Lernmaterialien kosten ab 40Euro.
• Bei Kikstarter werden jede Menge Roboterprojekte für Lernkits finanziert. Nun, von Kikstarter sollte man nichts Nützliches und schon gar nichts Gemeinnütziges erwarten. Es ist eine clevere Kampagne, mit der die ganze Welt die US-Startups und die Diplomarbeiten der US-Eliteuniversitäten finanziert.
• Wenn man bei Amazon nach "robot chassis" sucht, findet man einige günstige Fahrgestelle mit Rädern und Motoren, die man zusammen mit einem Arduino relativ einfach zu einem Roboter ausbauen kann. Man kommt allerdings nicht unter 30 Euro aus. Interessanterweise kosten die Chassis bei dem Chinesischen Amazon-Pendant Ali Express nicht weniger. Dagegen kosten die Motoren und Getriebe (eigentlich die Hauptteile eines Chassis) als Einzelteile nur einen Bruchteil von dem, was man bei Amazon zahlt.

P.S.:
Nachdem ich diesen Beitrag schon geschrieben habe, kam ich auf eine hervorragende Seite eines Bastlers. Er baute seinen Roboter ebenfalls auf einer CD auf. Es gibt viel auf dieser Seite zu lernen und viele Ideen abzugreifen.: http://www.ermicro.com/blog/?p=983
Der Autor beschreibt seine Projekte immer sehr ausführlich mit Quellcode, Schaltplänen und den mechanischen Bauplänen. Jenseits der Technik, gibt es auf seiner Seite oft interessante Gedanken und Informationen rund um das Thema des Projekts. So habe ich zum Beispiel erfahren, dass der erste Roboter in der Klasse bereits in 1949 gebaut wurde: http://www.ias.uwe.ac.uk/Robots/gwonline/gwonline.html

Idee für das Spiel: "Der Heiße Draht"

Zum 45. Jubileum von CASA e.V. wollten wir mit den Kindern das Spiel "Der Heiße Draht" in Groß bauen. Bei dem Ferienkurs im August 2014 haben vierzehn Kinder ihre "Heißen Drähte" auf einem ca. 10x15cm großem Holzbrett gebaut. Beim Berühren des Drahtes summte ein Piezo-Lautsprecher einen 2kHz hohen Ton. Zum einen war der Ton auf die Dauer zu nervig und zum anderen beim leichten Berühren war der Ton auch nicht sauber sondern "verkratzt". Also sollte für das Jubiläum was besseres gebaut werden.

Das Modell, dass ich mit 4 Kindern in etwa 2 Stunden gebaut habe, erzeugt die Geräusche jetzt mechanisch. Statt Piezo-Lautsprecher dreht ein Motor mit einer Feder an der Welle. Die Feder schlägt gegen die nah angebrachte Klangschale. Das klingt schon viel angenehmer.

Einige leichte Berührungen werden jetzt auch toleriert. Beim Berühren des Drahtes dreht sich nämlich ein zweiter Motor, der über ein langsames Getriebe einen Zeiger von "Grün" in Richtung "Rot" beweg. Berührt der Zeiger den Metallkontakt am Ende des roten Bereiches - ist das Spiel aus.

Alle Bauteile außer dem Holzbrett kamen wieder von  Opitec. Die Kosten lagen bei ca. 5 Euro.

Hinterseite. Man sieht die Verdrahtung. Es sind zwei unabhängige Stromkreise

 

 

Fast fertig! es fehlen nur die letzten Striche

Vorderseite. Der Draht selbst besteht aus mehreren Schweißdrähten, die miteinander mit Schraubklemmen verbunden sind.

Workshopideen zum Thema "Windkraft". (Teil I)

Windkraft ist ein interessantes Gebiet im Bereich alternativer Energien. In einem "Windkraft-Workshop" kann man die Kinder über das Potential der Windenergie aufklären sowie viele Gerüchte und Missverständnisse, die die Verblödungsindustrie im Auftrag der Atom- und Erdöllobby verbreitet, nachhaltig beiseite räumen. Würde jeder wissen, dass bei optimalem Wind etwa 200 Windräder einen Atomkraftwerk ersetzen könnten, hätte die Atomlobby viel weniger Zulauf. Wüsste jeder, dass ein Windrad aus unmittelbarer Nähe nicht mal ein fünftel der Lautstärke einer Autobahn  und nicht mal die halbe Lautstärke eines Fernsehens erreicht und wüsste jeder dass es unter den Windräder keine tote Vögel (im Gegensatz zu den toten Tieren entlang jeder Autobahn) liegen, hätte die Windenergie viel mehr Sympathie in der Bevölkerung. Alle Gerüchte kann man natürlich nicht aufzählen. Darum geht es hier auch nicht.

Ich überlege mir, welche Experimente und Modelle man in so einem Workshop mit den Kindern machen könnte . In Spielzugläden und bei Amazon findet man einige Bausätze zum Thema. Die Preise streuen von 10Euro bis 50Euro und aufwärts.
Mehrmals wollte ich für meine Neffen so einen Bausatz von Kosmos kaufen (eins von den teureren in dem Spektrum) und immer wieder hatte ich meine Zweifel, dass das Windrad funktionieren wird. Die beigefügten Motortypen, die im Modell als Generator dienen sollten, könnten nur bei sehr hoher Drehzahl eine ausreichende Spannung für das LED erzeugen. Diese Drehzahl ließe sich nur mit einem Getriebe erreichen. Und wenn ich mir die Plastikzahnräder auf der Packung anguckte, hatte ich meine Zweifel an dem Wirkungsgrad eines solchen Getriebe. Also mein Rat - Finger Weg von solchen Bausätzen. Diese Rezension  bei Amazon zu einem Kosmos-Bausatz beschreibt sehr treffend warum:

"Gut zur Veranschaulichung, schlecht in der Funktionalität. Pädagogisch nur halb wertvoll, da das Kind/der Jugendliche am Ende durch die schlechte Funktionalität stark ernüchtert wird und den Spass an der Sache verliert. "Windkraft? Geht ja garnicht ..."

 Diese Webseite brachte mich auf eine interessante Idee, dass ein Windrad nicht unbedingt den elektrischen Strom erzeugen muss, um die Energiegewinnung aus dem Wind zu veranschaulichen.
Es ist ein "Windradkran" bei dem ein Faden an der Achse gebunden ist. Durch das Drehen der Achse wird der Faden aufgewickelt, und kann somit kleine Gewichte, die an dem anderen Ende befestigt sind, hoch heben.
Dieser Aufbau bietet viele Möglichkeiten zum experimentieren. Man kann durch die Variation der Windradflügel  - Form, Fläche, Anzahl, Winkel - die Begriffe wie Drehmoment und die Drehgeschwindigkeit erläutern. Man kann kleine Wettbewerbe veranstalten: "Wessen Kran hebt größeres Gewicht" oder "Wessen Kran ist schneller". Man kann viele Messreihen aufnehmen um zum Beispiel die optimale Windradform für die vorgegebene Windgeschwindigkeit, Drehgeschwindigkeit und den Drehmoment zu ermitteln.

Nach einigen Versuchen habe ich ein Modell gebaut, das diese Experimente schnell ermöglicht.

Die Windradflügeln sind an einem Korken befestigt und lassen sich schnell austauschen. Als die Welle dient ein Schaschlikspieß. Die PVC-Röre (ca. 1,20 pro 2 Meter bei Hornbach) bieten der Konstruktion eine gute Stabilität und lassen das Modell so bisschen wie einen Windrad-Turm aussehen. Als die Verbundelemente für die PVC-Röre und zugleich als die "Lager" für die Achse dienen die Plastikdeckel von den PET-Flaschen.  Um die Gewichte schnell zu variieren, ist an dem Ende des Fadens ein starker Magnet angebunden. (Man braucht einen Stärkeren, da der "Kran" die Gewichte bis zu 100 Gramm  locker heben kann.)

Die Flügel kann man entweder in die eingeschnittenen Schlitze in den Korken  einsetzen und verkleben, oder mit den Zahnstochern bauen.

Die Zahnstocher-Variante bietet den Vorteil, dass man die Anzahl und den Winkel der Flügeln schnell ändern kann. Die Flügeln halten in dem Korken sehr gut und sitzen auch nach vielfachem Einsetzen, Drehen und Herausziehen fest.

Der Preis für ein solches Modell läge unter 2Euro. Für 1 Euro mehr ließe sich auch ein LED zum leuchten bringen - und das bei einer Windstärke, die man mit einem üblichen Ventilator bei niedrigster Stufe erzeugen kann. Am besten eignen sich die Motoren, die bei schwachem Strom und
höherer Spannung ihre optimale Drehzahl erreichen. Bei diesem Kleinmotoren Sortiment (Pollin.de, 10 Stück für 2.50 ) findet man einige 24V und 18V Motoren, die für ein LED ausreichende Spannung bei ca. 120rpm erzeugen.

In dem Teil II beschreibe ich einige Messungen und Experimente.

Überlegungen zu einem Roboter-Kurs

Die Roboter-Kurse für Kinder sind sehr beliebt. Auch bei relativ hohen Preisen zw. 30-150 Euro sind solche Kurse in den Schulferien ausgebucht.

Bei den meisten Kursen werden die LEGO-Roboter eingesetzt. Dies bietet den Vorteil, dass die Kinder mit LEGO-Bausteinen in der Regel vertraut sind, und somit bei der knappen Zeit des Kurses sich auf die Programmierung konzentrieren können. Ein wesentlicher Nachteil ist natürlich der Preis für die LEGO-NXT-Sets.  Ein Set kostet ca. 300 Euro, was für viele Schulen und ehrenamtliche Kursleiter unerschwinglich ist.

Einige Kurse benutzen die günstigeren Varianten wie z.B. ASURO oder NIBObee, beide preislich unter 50Euro. Solche Roboter lassen sich jedoch nicht so einfach programmieren und sind eher für die Oberstufen-Schüler oder Studenten geeignet.

Eine interessante Möglichkeit für einen Einsteigerkurs bietet sich mit der Programmiersprache Scratch an. Scratch ist eine grafische Programmiersprache für Kinder, die sehr leicht erlernbar und intuitiv ist.

Die Programmierung geschieht wie auch bei LEGO NXT hauptsächlich mit der Maus. Obwohl die Sprache nicht in erster Linie für Roboter-Programmierung gedacht war, war es bei Scratch auch vorgesehen, dass Spezial-Hardwareboards angeschlossen werden könnten. Solche Ein/Ausgabe Boards sind jedoch in Deutschland wenig verbreitet und schwer zu beschaffen.

In der Version 1.4 (nicht die Neueste, aber noch gängig) gibt es die Möglichkeit aus dem Scratch heraus per TCP Nachrichten zu verschicken. Damit ließe sich ein einfaches Tool schreiben, dass irgendwelche selbst-gebaute Hardware anspricht.  Welche nur? In Windows 95-Zeiten käme als erstes die Parallele Schnittstelle in Frage. Die modernen Rechner haben sie leider nicht mehr.

Eine serielle Schnittstelle wäre auch eine Lösung. Einen USB-RS232 Adapter bekommt man schon für 3 Euro. Und viel mehr braucht man zum Einstieg nicht. Die RS232-Schnittstelle hat Steuerleitungen - 3 Ausgänge und 4 Eingänge. Damit könnte man schon nur mit 3 LEDs und 3 Widerständen (evtl. auch einem Knopf) ein Ampelmodell ansteuern.

Mit einem Motortreiber L293D könnte man auch einen Motor in beide Richtungen drehen. Dann bleibt noch eine Ausgang-Leitung frei.

Mit den Eingängen könnte man einfache Sensoranwendungen für Licht und Temperatur realisieren.
Für einen Anfängerkurs könnte es allemal ausreichen. Die Kosten pro Arbeitsplatz würden dabei unter 10 Euro liegen.

Was könnte man mit einem solchen Kurs vermitteln?

• Ansteuerung von Hardware mit einem PC
• Ein-/Ausgänge
• Abfrage der Sensoren (auch wenn nur digitaler) mit einem PC
• Visualisierung
• Und natürlich die Grundlagen der Programmierung - Variablen, Schleifen, Entscheidungen.

Ich hoffe, ich komme bald dazu, einige einfachen Aufgaben auszuarbeiten und auszuprobieren

Die Eindrücke und Erfahrungen aus dem Kurs "Experimentenwerkstatt bei CASA e.V."

Auf die Idee, diesen Kurs durchzuführen, kamen wir sehr spontan. Ich meldete mich im Februar nach einer sehr langen Kontaktpause bei CASA e.V. Wir trafen uns auf einen Kaffee, kamen auf "Jugend forscht" zu sprechen und überlegten, ob man bei CASA e.V. auch etwas Technisches mit Kindern machen könnte. Bis zum Termin Ende Juli gab es noch 4-5 weitere Treffen, bei denen die Idee immer deutlichere Gestalt annahm. Mit jedem neuen Treffen entfernten wir uns von dem ursprünglichen Vorhaben, eine Firma zu suchen, die im Rahmen einer CSR-Aktivität eine solche Veranstaltung durchführt und sponsert, und entschieden uns dafür, alles vollständig in eigener Regie zu machen.

Ich habe mich bereit erklärt, das technische Programm für den Kurs vorzubereiten und begab mich auf die Suche nach Projekten und Experimenten für Kinder. Und wer sucht, der findet. Den ersten großen Anstoß für neue Ideen gaben mir die Kontexis-Hefte. Daraus könnte man lernen, aus den einfachsten Mitteln Funktionsmodelle und Experimente aufzubauen. Viele Inspirationen gaben mir die Experimente von Arvind Gupta. Und nicht zuletzt gaben die Videos und Berichte von anderen Kinderkursen die Sicherheit, dass es absolut realistisch sei, einen solchen Kurs aus eigenen Kräften heraus durchzuführen. Es war ein riesiges Glück, dass ich irgendwann bei meinen Experimentenrecherchen auf die Firma Opitec stieß. Mit den Angeboten von Opitec konnten wir die Modelle aufwändiger und interessanter planen und kamen immer noch mit einem günstigen Budget aus. Gerade für Solarmodelle bietet Opitec besonders günstige Motoren und Solarzellen an.

Den Rest konnte man im Baumarkt kaufen und die Holzteile mit einer Dekupiersäge zurechtschneiden. Ich habe einige Modelle ausprobiert und zum Schluss beschlossen wir, dass es eine Auswahl zwischen einem "Solar-Windrad", einem Solar-Karussell und einem Solarauto geben wird.

Am Montag, den 28. Juli 2014, war es endlich soweit. Gegen 10 Uhr begann das Haus "CASA im Grünen" sich mit Kindern zu füllen. Pünktlich zum Anfang um 10:30 waren alle da. Alle Kinder, die sich für den Kurs angemeldet hatten, kamen freiwillig an ihrem ersten Ferientag, um etwas Neues zu lernen. Das war für mich schon ein mächtiger Motivationsschub.

Nach kurzer Vorstellungsrunde ging's zum ersten Experiment und zugleich zu einem kleinen Wettbewerb. Die Kinder wurden in Gruppen eingeteilt, sollten eine Luftballonrakete basteln und testen, wessen am weitesten fährt. Aus der Wettbewerbsidee wurde leider nichts. Obwohl ich diese Variante der Rakete mehrfach getestet hatte, funktionierte sie bei kaum einer Gruppe richtig.

Nachdem jede Gruppe ihre "Rakete" einmal gestartet hatte und die Kinder vom Experiment eher enttäuscht waren, setzte ich meine große Hoffnung auf das nächste Experiment – die Filmdosenrakete. Die Rakete wurde mit einer Brausetablette und Wasser "getankt". Die Kinder bildeten einen Kreis um die Filmdose und ich erklärte das Funktionsprinzip. Der erste Start ging gleich in die Hose – 10 cm Flughöhe. Mit rhetorischen Beschwichtigungen versuchte ich, die Zeit beim Auftanken der zweiten und dritten Filmdose sowie einer Kaugummidose zu überbrücken. Alles vergebens! Die Filmdosen fielen auf die Seite und es lief eine gelbe Brühe aus ihnen heraus. Die Kaugummidose blieb auch nach drei Countdowns stehen. Die Gesichter wurden immer länger. Wir gaben auf und fingen an, die Kinder nach ihren Ideen zu fragen, was die Gründe für die Fehlstarts wohl seien und wie man es verbessern könnte. Die Kinder waren sehr kreativ und zeigten auch gutes Verständnis für die Funktionsweise dieser "Rakete". Wir waren mitten in der Diskussionsrunde, als plötzlich BAM! Die Kaugummidose flog 10 Meter hoch. Die Langeweile war von den Gesichtern verschwunden. Die Kinder holten sich die restlichen Dosen und die Brausetabletten, um das Experiment selbst auszuprobieren. Hin und wieder flog eine Dose in die Luft. Das Highlight des Experiments war die Kaugummidose, die letztendlich auf dem Dach landete.

Nachdem der Tag gerettet war, fingen wir mit unserem ersten Bastelobjekt an – dem "Heißen Draht". Der Aufbau besteht aus einem Holz- bzw. einem Gipskartonbrett mit Batteriehalterung, Widerstand, kleiner Glühlampe, LED, einem Piezosummer und einem gebogenen 2mm Kupferdraht. Alle Bauelemente sollten mit Reißzwecken an das Brett befestigt werden. Der Zweck des Experiments war, die Grundlagen der Elektrizität und den elektrischen Stromkreis kennenzulernen. Die Aufgabe gefiel den Kindern gut. Nachdem die erste Glühlampe leuchtete, stieg die Begeisterung hoch. Alle Kinder waren voll beim Basteln dabei. Die Reißzwecken konnten nicht von allen Kindern in das Holz gedrückt werden. Dafür hatten wir kleine Hämmer und Holzstäbchen vorgesehen – etwa 10 cm lang und 1 cm im Durchmesser. Damit konnten die Reißzwecken reingeschlagen werden. Auch das Abisolieren, was auch nicht einfach ist, klappte nicht so ganz. Da waren die Betreuer gefragt. Die Idee, einfache elektronische Schaltkreise mit den Reißzwecken aufzubauen, nahm ich aus dem Kontexis-Heft "Reißzwecken-Technologie". Damit ging der erste Tag zu Ende.

Am zweiten Tag kamen alle 14 Kinder an ihrem zweiten Schulferientag wieder pünktlich zum Kurs. Die Freude der Kursleiter war groß. An diesem Tag wollten wir ein "Windrad mit Solarantrieb" basteln. Die Funktionsweise hatten die Kinder schon am Vortag kennengelernt. Sie wussten, dass das Modell weder ein guter Ventilator ist, noch die Windkraft nutzt, sondern dass es nur ein schönes Solarmodell ist. Nach dem Schleifen der Holzteile mit dem Sandpapier wurden die Bauteile Motor, Propeller und Solarzelle nach und nach ausgeteilt, und die Kinder haben alles meist eigenständig aufgebaut. Der Aufbau dauerte weniger, als wir von der Zeit her eingeplant hatten, deshalb hatten wir die Bastelarbeiten mehrmals für kleine Spiele und Experimente und Erklärungen unterbrochen.

 

Ein schönes Spiel haben wir uns spontan überlegt und ausgearbeitet. Es hieß – "Büroklammern angeln". Die Kinder haben mit einem Magneten eine Schere magnetisiert, indem sie immer wieder (ca. 50 Mal) mit demselben Pol an der Schere entlang führten. Danach wurde die Schere an den Griffen durch einen Faden mit einem Stift verbunden – fertig war die Angel. Auf einem runden Tisch waren Büroklammern verteilt. Nach dem Startsignal gingen die Kinder mit ihren Angeln zum Tisch und versuchten, sich von den Büroklammern so viele wie möglich zu "angeln". Gewonnen hat, wer den Magneten am schnellsten und öftesten an der Schere entlang fuhr, ohne den Pol zu verwechseln und somit die stärkste Magnetschere herstellte.

 

Da wir den Abschluss des Kurses mit den Wasserraketen feiern wollten, haben wir 3 Starts währen den Bastelpausen vorgeführt. Die Konstruktion, die ich ausgewählt hatte, war sehr einfach. Es gab nicht mal einen Auslösemechanismus - es wurde solange gepumpt, bis die PET-Flasche irgendwann von selbst flog. Nichtsdestotrotz  schaffte die Rakete es höher als das Schulgebäude. Die Begeisterung und die Überraschung waren sehr hoch. Die Kinder bekamen eine guten Vorgeschmack auf das Ende des Kurses.

Um die Funktionsweise eines Motors zu erklären, bereitete ich eine "Gummibärchen-Schaukel" und einen auseinander genommenen kleinen Motor, der dennoch funktionstüchtig war. Mit der Schaukel ( ein stromdurchflossener Leiter, der sich im Magnetfeld bewegt) wollte ich die Lorentzkraft erklären, mit dem gehäuselosen Motor - die Umschaltung des Magnetfeldes. Beides ist mir wenig gelungen, weil ich mich noch auf meinen Gedächtnis aus der Schulzeiten verlassen hatte. Die Kinder fanden die Experimente anscheinend dennoch interessant, weil einige zwischendurch damit selbst experimentierten und wollten sie sogar mitnehmen. Ich musste zum Schluss unter Kindern auslösen, wer die beiden Modelle bekommt.

Nachdem alle "Windräder" fertig waren und zu unserer gemeinsamen Freude auch an diesem schaurigen Tag draußen ganz gut drehten, haben die Kinder mit dem Bau ihrer Wasserraketen angefangen. Sie wurden in drei Gruppen aufgeteilt und bauten drei Raketen zusammen. Die Freude und die Aufregung rund um die Starts kann man schwer beschreiben. Alle drei flogen mehrmals in die Höhe – mit einigen Fehlstarts, einer "Explosion" einer der Startrampen und mit zwischenzeitlichem Hängen einer der Raketen in den Bäumen. Es war ein schöner und lustiger Abschluss.

Und wie geht es weiter? Es muss weitergehen. Die Kinder wollten sich schon für das nächste Jahr gleich anmelden. Diese Geduld berührt mich zutiefst. Ich hoffe, sie müssen gar nicht ein ganzes Jahr warten. Für mich war die Vorbereitungszeit und der Kurs selbst eine sehr intensive Erfahrung. Es war für mich auch eine große Freude, mit CASA zusammen so etwas zustande zu bringen. Die Organisation jenseits der Technik wie z.B. die Raumgestaltung, Verpflegung, Flyer haben die Mitarbeiter von CASA übernommen und hervorragend gemacht.

Bastelwochenende mit den Neffen

Letztes Wochenende wollte ich mich auf meinen Neffen-Besuch ordentlich vorbereiten. Ich bestellte bei Opitec einige Bausätze und freute mich auf ein Bastelwochenende.
Die Lieferung kam schon am nächsten Tag nach der Bestellung! Voller Neugier öffnete ich das Päckchen und wurde stark überrascht. Die Bausätze waren nicht für "Weichlinge". Eigentlich waren die Bausätze nicht mehr, als die abgepackten Materialien, aus denen man die Modelle mit viel Fleiß und Handarbeit fertigen könnte. Man könnte die Materialien auch genau so gut in einem Baumarkt kaufen können. Nur der Preis, für den Opitec die Bausätze verkauft (eher verschenkt), würde nicht mal für die Fahrt zum Baumarkt ausreichen.

Wer vorgefertigte, ausgeschnittene Bauteile erwartet, sollte doch lieber weiter bei LEGO bleiben. Bei der Bestellung der Bausätze sollte man auch genau gucken, welche Instrumente fürs Zusammenbau benötigt werden.

Nach der Ankunft bei meinen Neffen (400km entfernt von uns) ging's am nächsten Tag los. Als erstes Modell haben wir das Mausefallenfahrzeug uns vorgenommen. Das Holz und die Spanplatte für das Rad ist bei dem Modell Balsa. Bei meinem 14-Jährigen Neffen dauerte das Zusammenbau einen ganzen Tag. Das Aufwändigste war es, die Räder auszuschneiden. Auch mit einer Dekupiersäge brauchten wir etwa zw. 2 - 3 Stunden dafür.

Bei der ersten Probefahrt würden wir alle belohnt. Auch auf dem Pflasterstein-Boden fuhr das Auto eine leichte Steigung hinauf. Auf einem glatten Boden schafft das Auto die Entfernung von18 Meter.

Als nächstes kam das Luftkissenfahrzeug dran. Diesem Modell aus Hartschaumstoff war nicht mal in einer Stunde gebaut. Nach einer Stunde, als der Kleber trocken war, wurde das Fahrzeug getestet.
Auch ohne Dichtung aus Folie hebte das Fahrzeug auf dem Pflasterstein ab  und fuhr fort. Auf dem Laminatboden wäre die Folienabdichtung völlig überflüssig. Die haben wir auch ausgelassen. Das Prinzip vom Luftkissenfahrzeug war für die Kinder einleuchtend. Die Hebe- sowie Fahrtfähigkeit hat alle meinen früheren Modelle aus Schuhkarton und Styropor bei weitem überstiegen.

Vor dem Aufbau sollte man die Kinder jedoch darauf vorbereiten, dass es sich dabei um ein Funktionsmodell handelt. Meine Neffen waren etwas verblüfft, als sie in der Packung keine Fernbedingung fanden. Ebenso war es für sie nicht sofort einleuchtend, warum die Batterie nicht "mitfliegen" darf, sondern in der Hand gehalten wird.

Das Periskop ist wahrscheinlich das einfachste Modell, das es bei Opitec gibt. Das Aufbau dauerte kau eine halbe Stunde.

Der Spaßfaktor ist groß, trotz der Einfachheit und dem kleinen Preis. Dieses Modell würde sich zu einsteigen in das Basteln auch bei den Vorschulkindern eignen.

Meine Nichte (11) baute zwischendurch die Solar-Sonnenblume. Es hat alles ebenfalls reibungslos funktioniert. Nach knapper Stunde stand die Blume schon im Garten und hat fleißig gedreht.

Quelle: Opitec.de

Bei den Solarmodellen macht es mir immer eine besondere Freude, die zwei immer wieder gestellten Fragen zu beantworten, bzw. die Aussagen zu bestätigen:
"Ja richtig, sie dreht sich nur von der Sonnenenergie",
"Ja richtig, wenn sie nicht gerade kaputt geht, wird sie sich ewig drehen, solange die Sonne scheint"

Bastle ein Kaleidoskop, aber nicht mir der Alu-Folie

Ich fand die Anleitung bei TK sehr interessant, und wollte sie ausprobieren. Es ist immer ratsam, die Bastelsachen erst selbst ausprobieren, bevor man die Kinder zum Basteln an den Tisch holt.
Das Ausschneiden und das Zusammenkleben dauerte etwa 15 Minuten. Leider erst beim Ausschneiden habe ich die Anleitung genauer gelesen und festgestellt, dass auf dem Bild die Spiegelfolie abgebildet war. Ich dachte erst, das wäre die Alu-Folie.
Natürlich hat es mit der Alu-Folie nicht funktioniert. Das Bild wird nicht in den Wänden gespiegelt.
Anscheinend bin ich nicht der erste, der an der Spiegelfolie sparen wollte. Deshalb will ich hier vor dem Misserfolgserlebnis warne.
Ansonsten wäre es ein interessantes kleines Projekt, auf das ich noch zurück komme.

Fertiges "Kaleidoskop"

Ein Blick hinein

Eine funktionierende Luftballon-Rakete

Die Luftballon-Rakete ist ein sehr interessantes Experiment, mit dem man die Kinder unterschiedlicher Altersgruppen begeistern kann. Je nach Wissensstand und dem Kontext könnte man einige Naturgesetze und Phänomene dabei erklären. Mit den kleinsten Forschern könnte man die Gummibärchen auf die Reise schicken. Mit den Größeren könnte man den Rückstoßprinzip, den Luftdruck, die Reibungskraft, das Bernoulli-Gesetz, etc. besprechen.

Ich wollte dieses Experiment bei zwei Events vorführen und habe das am öftesten in den Experiment-Büchern oder im Internet zu findende Modell ausprobiert:

Quelle: http://www.leifiphysik.de

Das obere Bild beschreibt zwar das Prinzip ganz gut, hat sich jedoch in der Praxis nicht bewährt.
Es ist nicht leicht, ein aufgeblasenes Luftballon mit einer Hand am Trinkhalm mit der Klebeband zu befestigen. Zum Starten sind schon mal 4 Hände erforderlich. Ein nicht aufgeblasenes Luftballon kann man nicht mit dem Halm verkleben, da der Trinkhalm beim Aufblasen sich verbiegt und sich nicht mehr leicht an der Schnur bewegt. Außerdem, neigen die Klebebandstreifen dazu,  sich beim Schrumpfen des Luftballons zu lösen.

Es stand für mich schon mal fest:

1. Der Trinkhalm, der an der Schnur gleitet, sollte an einem festen, leichten Material befestigt werden.
2. Die Luftballon sollte mit dem Trinkhalm an einer Stelle verbunden werden, die sich nicht dehnt und nicht schrumpft.
3. Zum Aufblasen und für die Richtungswechsel sollten die Luftballon und der Trinkhalm an der Schnur leicht trennbar sein.

Nach einigen Experimenten kam ich erst auf folgendes Modell:

Der Hals des Luftballon wird mit einem abgeschnittenen Teil vom Trinkhalm verbunden. So haben wir schon mal eine Befestigungsstelle am Luftballon, die nicht schrumpft.
An einem Styroporstück wird ein weiteres Trinkhalm fest mit dem Klebeband verklebt. An dem Gummiring wird wird dann der Luftballon in die gewünschte Richtung befestigt.

Das war schon ganz brauchbar. Die Rakete sauste gleichmäßig der Schnur entlang und schaffte etwa 8-10 Meter.
Leider war es für die Kleinkinder doch nicht so einfach, den Trinkhalm vom Luftballon mit dem Gummiring zu spannen. Das Ziehen am Gummiring erforderte bei den Kindern die ganze Aufmerksamkeit, so dass der Faden gelegentlich mitgezogen und gerissen wurde.

Schließlich kam ich auf die Idee, anstatt des Gummiringes einen weiteren Trinkhalm unten zu befestigen. Einen, der vom Durchmesser etwas kleiner als der am Luftballon ist.
So kann man den aufgeblasenen Luftballon sehr leicht durchs Ineinanderstecken beider Trinkhalme mit dem Styroporteil verbinden:

Gerade beim Schreiben fällt mir ein, statt des unteren Trinkhalms könnte man noch besser einen Zahnstocher nehmen können.

Viel Spaß beim Vorführen!

Erste Bestellung bei OPITEC

Meine erste Bestellung von OPITEC ist nun angekommen. Solarmotoren, Solarzellen Zahnräder und einiges mehr. Alles Bestellte war dabei, die Rechnung lag auch bei. Kann man nicht meckern, ich war begeistert.

Am meisten war ich auf die TechCard gespannt. TechCard ist ein System aus Karton, Holz und Plastik, mit dem sich sehr schnell Funktionsmodelle realisieren lassen. Preislich liegen solche Modelle im Bereich ab unter 1 Euro, was TechCard für mich sehr attraktiv zum Ausprobieren macht.
Das Hauptelement bilden die Lochrasterkarten und -streifen - wie bei vielen Metallbaukästen. Statt den Schrauben kommen Verbindungselemente aus Plastik zum Einsatz. Für fahrende Modelle gibt es Räder aus Papier oder Holz und die 4mm Achsen aus Holz.
Das teuerste an dem System sind die Verbindungselemente aus Plastik (17Eur/200St.), wobei man auch ohne sie auskommt. Ein Tesafilm oder noch besser doppelseitiger Klebestreifen tun es auch. Mit den Plastikteilen werden die Modelle zwar sehr schnell aufgebaut, aber zum Abbauen braucht man deutlich mehr Kraft und einen Spitzen Gegenstand. Ansonsten kriegt man sie nicht auseinander. Somit scheiden sie für die Bastelarbeiten mit den Kindern aus.

Zum ausprobieren habe ich gleich ein Propellerfahrzeug gebastelt, was nicht mehr als 15 Minuten gedauert hat. Mein Fazit: OPITEC ist jetzt bei mir zum Bestellen von Bastelbedarf die erste Adresse.

Kinderkurs Vorbereigung. Experimente.

Luft

L001 Zwei Luftballons verbinden

http://www.kids-and-science.de/experimente-fuer-kinder/detailansicht/datum/2009/10/21/zwei-luftballons-verbinden-was-passiert-nach-dem-druckausgleich.html

L002 Luftströmung

Mit Windstärkemesser/Anemometer werden die Strömungen aus unterschiedlich breiten Öffnungen des Luftballons gemessen. Je Smaller die Öffnung, desto schneller sollte die Geschwindigkeit sein.

L003 Bernoulieffekt

http://www.kids-and-science.de/experimente-fuer-kinder/detailansicht/datum/2009/08/11/der-bernoullieffekt-mit-2-tischtennisbaellen.html
Zwei Styroporbälle so aufhängen, dass sie nebeneinander nur in eine Richtung schaukeln können, und zwar zu einander. Mit einem Ventilator in der Mitte zwischen den Bällen einen Luftstrom erzeugen. Davor werden die Kinder gefragt, in welche Richtung die Bälle sich bewegen würden -  zu oder gegen einander.

Weitere Erscheinungen und Nutzen (Fliegen) diskutieren.
http://www.planet-schule.de/warum/fliegen/themenseiten/t4/s3.html

L004 Holzstab brechen (Luftdruck)

http://www.kids-and-science.de/experimente-fuer-kinder/detailansicht/datum/2009/08/11/ein-holzstab-zerbricht-wider-erwarten.html

L005 Unterdruck
Eine Plastikflasche mit einem kleinen Loch knapp über dem Boden mit Wasser füllen, das Loch erst zu machen.
Die Flasche verschließen, auf den Tisch stellen.
Was passiert, wenn das Loch geöffnet wird? Das Wasser fließt nicht, oder es kommt nur ganz wenig Wasser aus dem Loch raus. In der Flasche entstand ein Unterdruck, der das Wasser hält. Macht man die Kappe auf, fließt das Wasser.

Statische Ladung

Experiment SL001

 Ein Trinkhalm wird horizontal so befestigt, was es sich auf einer Achse möglichst frei drehen kann (evtl. auf einem Faden). Mit einem statisch aufgeladenen Gegenstand wird das Trinkhalm ohne Berührung gedreht.

Experiment SL002 - Schwebender Ring

Ein Ring ausgeschnitten aus einer Mülltüte schwebt über einem aufgeblasenen Luftballon. Funktioniert sehr gut! Der Ring sollte etwas kleiner als der größte Umfang des Luftballons sein.
http://www.stevespanglerscience.com/lab/experiments/static-flyer-flying-bag

Elektrizität

E001 Leitfähigkeit

Es wird mit einfachem Durhgangstester bestehend aus Lampe und Batterie die Leitfähigkeit unterschiedlicher Materialien untersucht:

Metalle: Eisen, Zink, Kupfer, Alluminium (Folie)

Nichtmetalle: Plastik, Holz, Papier, Isolierband

Leitende Nichtmetalle: Graphit, Salzwasser

Halbleiter: Diode

Bruchstelle - Lackiertes Kupferdraht,

Experiment E003 Lorenzkraft (Gummibärchenschaukel)

Eine Spule wird über einem Magneten aufgehängt. Wenn durch die Spule Strom fließt, bewegt sie sich.

Experiment E004 Zitronenbatterie

Kupfer und Zinknägel/-dräte in einer Zitrone/Kartoffel erzeugen Strom

Experiment E005 Salzwasserbatterie

Kupfer und Aluminiumplatten im Salzwasser erzeugen Strom

Magnetismus

MA001 Magnet selbst erstellen

Ein metalischer Gegenstand (Stab, Schraubenzieher) wird mit einem Magneten in eine Richtung 50 mal entlang gestrichen. Danach ist der Gegenstand magnetisch. Als Spiel könnte man testen, wer in gleicher Zeit einen Stärkeren Magnet macht. Je mehr man streicht und weniger schlägt, desto stärker ist das Magnet.

MA002 Kompas selbst erstellen

EinMagnet in einer nichtmetalischer Wasserschüssel.

MA003 "Wassersegel" - Diamagnetismus

Auf kleinem Styroporschiff wird in de Mitte ein Rohr (Reagenzglass, Trinkhalm) gefüllt mit Wasser befestigt. Im größeren Schüssel Wasser wird mit einem starken Magnet das Schiff bewegt, indem man das Magnet nah am Röhrchen halt (jedoch ohne es zu berühren!). Kein Teil vom Schiffchen ist magnetisch. Welche Kraft wirkt auf das Schiffchen, so dass es vom Magnet weg geschubst wird? Es ist das Wasser. Wasser ist diamagnetisch, d.h. es wird aus dem Magnetfeld herausgedrängt. Dieses Versuch ist eine Warnung vor dem MRT. In MRT werden Magnetfelder von ca. 1 bis über 9 Tesla erzeugt. Zum Vergleich Magnetfeld der Erde liegt im Bereich micro-Tesla. Da der Körper zu 80% aus Wasser besteht, wird jede einzelne Zelle "gezerrt".

Kinderkurs Vorbereitung Teil III

Plan für die Durchführung

Begrüßung. Kursvorstellung.

Vorstellungsrunde mit Fadenknäul.

Alles geht nur mit Energie - Leben, Bewegung, Bauen. Energie gibt es in Unmengen, nur nicht immer da und dann, wenn man sie braucht. Sonne - liefert 10 tausend mal mehr Energie, als die Menschheit braucht - Leider nicht Nachts. Ein einziger Blitz würde das Energiebedarf eines Hauses für mehrere Wochen decken - aber man kann einen Blitz nicht einfangen. Die verfügbare Energie zu speichern, ist eine der größten Herausforderungen für die Menschheit.

Frage: Wie kann man die Energie Speichern?

 Antworten werden Notiert und kurz diskutiert.

Mit unserer ersten Aufgabe werden wir lernen, die Energie auf eine ganz einfache Weise zu speichern und zu nutzen - Luftballon zeigen.
Luftballonseilbahn erklären.
Die Kinder werden gebeten, beim Aufbau des Seils zu helfen. Die fertige Rakete wird demonstriert. 

Frage: Wie funktioniert das? Raketenprinzip erklären.

Basteln: Kinder basteln jeder eigene Luftballonseilbahn, spannen Seile auf, lassen die Raketen fahren. Es werden unterschiedliche Öffnungen ausprobiert.

Spiel: Wessen Rakete fährt am schnellsten/weitesten

Diskussion: Wie gewinnt man dieses Spiel

Frage: in welchem Luftballon ist der Luftdruck größer, in einem kleineren oder größerem?

Experiment: L001 Verbundene Luftballons + Erklärung

Frage: Durch welche Öffnung strömt die Luft schneller durch schmalere oder breitere?

Experiment: L002 Luftströmung mit Erklärung.

Die Erklärung wird vermutlich Stirnrunzeln bringen. Ich als Kind hätte intuitiv auch gedacht - größere Geschwindigkeit - größerer Druck.
Um diese Gesetzmäßigkeit zu verdeutlichen, machen wir noch einige Experimente mit der Luft:
Experiment: L003 Bernoulieffekt.
Diskussion: Bedeutung, Luftfahrt

Zum Spass noch ein letztes Experiment:

Experiment L004 Luftdruck

Nun kommen wir zurück zur Energie.
Frage: Was ist die häufigste Form, in der wir der Energie begegnen? (Elektrische Energie)

Kinder benennen, wie sie die Elektrische Energie zu hause Nutzen: Kinder Lampen, Elektrogeräte, Kochen, ...

Frage: Warum ist die Elektrische Energie von so großer Bedeutung?
-Übertragung, Umwandlung in andere Formen (Licht, Bewegung, Wärme)

Bastelstunde: Für weitere Experimente mit Elektrizität bauen wir unser Experimentierboard.
Experimentierbord wird mit Batterien und Lampe Aufgebaut.
Erklährung zum Stromkreis und den drei Bauelementen - Lampe, Batterie, Schalter.
Frage: Wie kann man diese einfache Schaltung nutzen? (Tischlampe?)
Die Schaltung  kann man auch nutzen um festzustellen, ob ein Material leitfähig ist und ob es eine Bruchstelle im Leiter gibt.
Experiment E001 Leitfähigkeit von Materialen

Frage was passiert in Nichtmetallen? Was ist die Statische Ladung? wie kann man sie feststellen?
Experiment E002 Statische Ladung

Zurück zum unseren Aufbau.
Frage: In welche Energie haben wir hier die elektrische Energie umgewandelt?
Vermutlich ist die Antwort "Licht". Den Kindern helfen auf die Wärme zu kommen durch die Fragen zur Funktionsweise der Glühbirne. Fragen, warum heißt sie "Glüh"-Birne.
Vorbereitung für LED: Die Wärme ist ungewolltes Nebeneffekt/Störfaktor. Wirkungsgrad hinsichtlich der Lichterzeugung ist bei GB sehr niedrig.
Bei LED wird weniger Wärme erzeugt, und somit hat LED einen größeren Wirkungsgrad. Es kommt kurze Beschreibung der Funktionsweise mit dem Hinweis auf Sondermüll und schlechteren Lichtspektrum. Als Anzeige -JA, als Leuchtmittel - JEIN.
Bastelstunde: Auf die Experimentierplatine LED mit Widerstand anbringen.
LED anschließen. Verkehrt anschließen und die richtige Polarität erklären.

Wieder die Erklärungsrunde. Wir haben die el. Energie in Licht und Wärme umgewandelt. Alle unsere Modelle tun irgendwas - Fahren/Schwimmen, sich drehen. Welche Energie werden wir brauchen? (Mechanische/Kinetische Energie)
Frage: Wie wird die Elektrische Energie in die mechanische Energie umgewandelt? (Mit Motor)
Frage: wie funktioniert ein Motor? (Lorenzkraft)
Experiment E003 Eine Gummibärchenschaukel wird aufgebaut
TODO: Experimente mit Magnetismus als Gruppenexperimente
 -Magnet selbst erstelen
 -Elektromagnet
 -Kompass mit Stabmagnet
Ein Motor wird auseinander gebaut und die Bestandteile erklärt.
Bastelstunde: Kinder erweitern die Experimentierplatine mit dem Motor.
Durch Anlegen 1,5/3 V wird die Drehgeschwindigkeit gemessen. Durch umpolen wird die Drehrichtungsänderung festgestellt.

Erklärungsrunde: Wir haben die Elektrische Energie nun in Licht, Wärme und die Bewegung umgewandelt.
Frage: geht es auch umgekehrt? Kann man Licht, Wäme und Bewegung in elektrische Energie Umwandeln?
Beispiele aufschreiben. Solar, Windräder, Wasserkraftwerke.
Frage: Welche Energie kann man noch in die el. Umwandeln? (Chemische) Den Kindern helfen und fragen, wie Funktioniert eine Batterie?
Experiment E004 E005 Zitronenbatterie/Salzwasserbatterie
Zwei Gruppen bauen getrennt die Experimente auf, und führen sie einander vor, mit der Erklärung.

Kinderkurs Vorbereitung Teil II

Auswahlkriterien für die Experimente

Sicherheit

Eine unter Strom leuchtende Salzgurke oder die Mehlexplosion mögen spektakulär aussehen. Solche Versuche sind jedoch für Kinder nicht geeignet. Zum einem will ich, dass die Kinder die Versuche selbst zu Hause oder in der Schule nachbauen können. Deswegen werde ich auf Feuer, gefährliche elektrische Spannungen sowie auf giftige oder ätzende Stoffe verzichten.

Didaktisches Nutzen

Die Experimente sollen im Idealfall das gelernte in der Schule vertiefen und veranschaulichen. 

Einfachheit

Wie bereits oben erwähnt, die Kinder werden motiviert, die Versuche selbst durchzuführen. Deshalb werden die Versuche aus einfachsten Mitteln bevorzugt.

Kinderkurs Vorbereitung Teil I.

Veranstaltung wird als ein allgemeiner Technik-Kurs durchgeführt. Der Kurs soll 2 Tage dauern.
Strukturell soll der Kurs aus vier Bausteinen bestehen - Basteln, Experimentieren, Wettbewerb/Spiel, Präsentation.

-Basteln: Die Kinder bauen während der 2 Tage ein Modell, was sie sich bei der Anmeldung ausgesucht haben. Das soll ein funktionierendes, ansprechendes Modell sein, was die Kinder am Ende mitnehmen.
Zur Auswahl stehen:

1.  Solarauto
2.  Solarboot
3.  Solarkarussell
4.  Solarventilator

-Experimentieren: Um die Technik zu verstehen, mit der die Modelle funktionieren, Bekommt jedes Kind eine Experimentierplatine mit folgenden Elementen: Batterie, Glühbirne, LED, Schalter, Reed-Kontakt (Magnetfeld-Schalter), Piezzo-Summer und einem Motor (evtl. selbstgebauetem). Die Platine wird nach und nach im Laufe des Kurses bestückt. Die Platine können die Kinder ebenfalls mitnehmen.

-Wettbewerb/Spiel:
Zwischendurch gibt es kleine Spiele, bei denen es auch um Experimente
geht oder um die Anwendung vom gelernten. Z.Z. fahlen mit folgende ein:
-Morse-Code: Mit der Experimentierplatine (Lämpchen/LED und Summer)
werden zwei Gruppen ein Wort übertragen.
Gewinnt die Gruppe, die es schneller macht.
-Luftballonseilbahn
-Gummibandauto
-Brücke aus Papier bauen, die einen beladenen Spielzeug-Kipplader aushält
-Vorhersagen/Erklären das Prinzip/Resultat eines einfachen Experimentes,
das ein Kursleiter vorführt.

-Präsentation:
-Die Kinder bauen für die Wettbewerbe etwas unterschiedliche Modelle,
z.B. Raddurchmesser bei Gummibandauto. Vor dem Vorführen werden sie
nach einer Anleitung/Checkliste ihre Modelle und Innovationen präsentieren
Außerdem, machen die Kinder zwischendurch in Gruppen schnelle einfache Experimente
und führen sie gegenseitig vor.

Projektideen

Eine Sammlung der Links für eigene zukünftige Projekte.
Sobald ich eins davon ausprobiert habe, werde ich hier im Blog darüber berichten.

• http://de.opitec.com/opitec-web/st/Technik - Das ist mein Favorit. Kostenlose Bastelanleitungen für alle Bausätze, die bei OPITEC erworben werden können. Die Preise von den Bastelkits oder den Bauteilen sind unschlagbar. 
• http://www.labbe.de - Kreative Ideen zum Basteln. 
• https://www.edunikum.de/ - Eher ein Webshop für Bausätze
• http://www.arvindguptatoys.com/toys.html Experimente aus dem "Mülleimer" von Arvind Gupta
• http://kids-and-science.de/ - Jede Menge Ideen und günstige Bausätze.
• http://www.zum.de/dwu/ - Gute, didaktische Experimente von engagierten Lehrern entwickelt und zusammengestellt
• http://schulen.eduhi.at/riedgym/physik/11/elektromagnetis/magnet_start.htm - Interaktive Beispiele zum Thema Magnetfeld
• http://thomaspfeifer.net/homopolar_motor_bauen.htm - Einfachster Elektromotor. Weniger didaktisch, eher ein Trick.
• http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/howwork.htm - Stirlingmotor Bauanleitung
• http://www.xlab-goettingen.de/ - Webseite einer Kinderfreizeiteinrichtung der gehobener Klasse in Göttingen. Interessant zum Nachschauen, was der Maß der Dinge ist.
• http://www.technikatlas.de  - Niedersächsische Initiative mit vielen Links zu Bastelvereinen
• http://www.technikatlas.de/~tb15/, http://technikatlas.de/~tb15/expo01.htm#psw1 - Viele Projektideen mit Bildern zum Thema Erneuerbare Energie, Wasser.
• http://www.c-turbines.ch/frameset.html - Einige interessante Projekte eines Schweizer Bastlers.
• http://manualdomotorstirling.blogspot.com.br/2013/05/dicas-basicas-para-construir-um-motor.html - Stirlingmotor Bauanleitung. Viele Konstruktionstypen.

http://www.freestyle-physics.de - Wettbewerb für Jugendliche im Bereich Physik. Die abgeschlossenen Wettbewerbe können als Anregungen für eigene Projekte dienen. z.B:

• Gegenwindfahrzeu
• Kettenreaktio
• Briefwaag
• Schaschlikbrueck
• Elektromoto
• Aschenputtelmaschin
• Wasserrakete
• Aufgabenbeschreibung Klettermax 2011
• Aufgabenbeschreibung Bremsenergie 2011
• Aufgabenbeschreibung Katapult 2011
• Aufgabenbeschreibung Boot 2011

Einige Projekte von Arvind Gupta auf Youtube

• http://www.youtube.com/watch?v=n7Nh4CGOrtE - Windgenerator
• http://www.youtube.com/watch?v=HHEdIZ282hE - Elektromotor ohne Magnet 

http://www.sciencebuddies.org - US Seite. mit viele Projektideen für US Pendant zu "Jugend Forscht"

http://www.tuev-kids.de/content/e76/e2653/e3410/Kran250x250.jpg - Funktionsmodell eines Krans.

http://www.tuev-kids.de/content/e76/e1019/e3407/Hebebhne250x250.jpg  Funktionsmodell einer Hebebühne