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Mikrocontroller | Wozu braucht man die eigentlich?

Mikrocontroller: Wozu braucht man die eigentlich?

Eltern Brauchen Kinder zum Programmieren einen Mikrocontroller – oder nicht?

Wie man mit Mikrocontrollern das Programmieren lernen kann

In vielen unsere Programmier-Workshops kommen Mikrocontroller zum Einsatz. Wir erklären, wozu man sie benötigt und was man mit ihnen alles basteln kann.

Die Initiative Kindermedienland will die Medienkompetenz von Kindern, Jugendlichen und Erwachsenen stärken. Um Kinder und Jugendliche auf die digitale Welt von heute und morgen vorzubereiten, wollen wir die Neugier am Programmieren wecken und ein Grundverständnis für Code und Algorithmen vermitteln. Bei unseren Hackathons und Workshops lassen wir die Teilnehmerinnen und Teilnehmer – unter fachlicher Anleitung – tüfteln, programmieren und ihre Ideen einer digitalen Zukunft umsetzen.

Um die Zusammenhänge „am lebenden Objekt“ besser erklären zu können, setzen unsere Experten neben Tablets oder Smartphones auch Mikrocontroller ein. Doch was kann man mit Mikrocontrollern überhaupt vermitteln und wie setzt man sie am besten ein? Wir haben die grundlegenden Fragen für Sie beantwortet:

Was ist ein Mikrocontroller?

Ganz vereinfacht ausgedrückt: Ein Mikrocontroller ist ein Computer in Miniaturausgabe. In den letzten Jahren wurden vermehrt Mikrocontroller entwickelt, mit denen Einsteiger und Hobby-Techniker eigene PCs basteln können. Paradebeispiel dafür ist der Raspberry Pi, der speziell für den Bildungsbereich entwickelt wurde. Eine Stiftung im Umfeld der Cambridge-Universität wollte Informatik-Studenten eine einfache und günstige Plattform für erste Programmier-Experimente bereit stellen. Mittlerweile wurden Mikrocontroller, wie der Calliope mini, sogar für den Einsatz ab der Grundschule entwickelt.

Die auch Mini-Controller genannten Platinen verfügen über Sensoren und Schnittstellen, teilweise Dioden, die als Mini-Display zum Einsatz kommen oder Lautsprecher. Auf dem Calliope mini befinden sich z. B. vier verschiedene Sensoren: Ein Temperatursensor, ein Lichtsensor, ein Beschleunigungs- und Bewegungssensor sowie ein Mikrofon.

Welche Mikrocontroller gibt es?

Auf dem Markt existieren zahlreiche Varianten. Zu den Bekanntesten zählen der Arduino, Raspberry Pi, micro:bit sowie der Calliope Mini. Unbekannter aber nicht weniger interessant ist der B-O-B-3. Dabei handelt es sich um Platinen in Roboter-Form, die man zuerst zusammengelötet muss. Danach kann der B-O-B-3 wie jeder andere Mikrocontroller programmiert werden.

In unseren Workshop gestalten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer auch Kleidungsstücke, die mit Mikrocontrollern zum Leuchten gebracht werden. Für die Herstellung der sogenannten „Wearables“ hat sich das Arduino LilyPad bewährt. Durch seine dünne und runde Form lässt es sich leicht auf einem T-Shirt oder einer Jacke befestigen. An seinen lochförmigen Pins verknotet man leitfähigen Garn, der die LEDs mit Strom versorgt.

Was kann man mit einem Mikrocontroller alles machen?

Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt. Im Internet existieren unzählige Anleitungen, die erklären, was man alles aus einem Mikrocontroller basteln kann: Malroboter, Codeschlösser oder Eieruhren sind möglich.

Wie ein Mikrocontroller in der Schule eingesetzt wird, zeigt dieser MDR-Beitrag:

Was kosten Mikrocontroller?

Die Preise für den Controller selber fangen bei ca. 20 Euro aufwärts an. Hier eine kurze Preisübersicht (Stand: Juli 2019):

  • Calliope mini für ca. 35 Euro
  • B-O-B-3 für ca. 23 Euro
  • Arduino ab ca. 20 Euro (je nach Modell)
  • Raspberry Pi ab ca. 24 Euro (je nach Modell)

Um die Controller programmieren zu können und mit Strom zu versorgen, muss man zusätzlich Kabel und Adapter anschaffen. Für den kindgerechten Einsatz ist es ratsam, Gehäuse für die Controller mitzukaufen. Diese kosten ca. 10 Euro oder mehr.

Für größere Projekte lohnt es sich, ein Mikrocontroller-Set anzuschaffen, bei dem Kabel, Dioden, Gehäuse und Extra-Sensoren mitgeliefert werden. Das vom Bundesministerium für Forschung und Bildung geförderte Unternehmen Codino verkauft Arduino-Komplettsets mit umfangreichender Anleitung ab ca. 100 Euro. Calliope mini-Sets oder Raspberry Pi-Sets mit Kabeln, Batterie-Halter und Gehäuse kosten ca. 50 Euro oder mehr – je nach Ausstattung des Sets.

Welche Software braucht man um die Mikrocontroller zu programmieren?

Für die Mikrocontroller existieren vielseitige Programmierumgebungen, mit denen man Computerprogramme entwickeln kann.

Auf dem Betriebssystem des Raspberry Pi, dem „Raspbian OS“, ist eine Python-Konsole vorinstalliert. Mit der sogenannten Eingabefläche kann in der Programmiersprache „Python“ programmiert werden. In Python lassen sich einfache Rechenschritte programmieren oder sogar eine Anwendung die einen Lichtsensor ausliest und bei Dunkelheit eine LED anschaltet. Solche Projekte sind aber erst für Fortgeschrittene zu empfehlen.

Für Einsteiger sind eher visuell gestaltete, kindgerechte Programmier-Umgebungen geeignet. „Scratch“ ist die wohl bekannteste Programmier-Umgebung für Kinder und Jugendliche. Statt Befehlen sehen die Nutzer in Scratch farbige Bausteine, die man per Drag&Drop in die richtige Reihenfolge bringen kann. Im Internet existieren unzählige Anleitungen und Projektbeschreibungen, die für Kinder geeignet sind. Der Clou: bestehende Projekte können aus dem Internet übernommen und weiterbearbeitet werden. Scratch läuft auf dem Raspberry Pi oder auf jedem gängigen PC mit der Scratch-Webversion.

Web-Programmierbaukästen, wie Scratch findet man auch für den Calliope Mini, den B-O-B-3 und Konsorten. Hier die Links:

Progbob (für B-O-B-3)

Calliope Mini Editor (für Calliope mini)

Makecode (für Calliope mini)

Arduino Create (für Arduino Controller)

Open Roberta (für Calliope mini, Arduino, Micro:Bit und B-O-B-3)

Diese Web-Programmierbaukästen funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Scratch: Befehle werden als Bausteine zusammengefügt. In einem Simulator kann man testen, was die Programmierbefehle auf dem Mikrocontroller auslösen, ob die LEDs leuchten und was passiert, wenn man bestimmte Knöpfe drückt. Sind die Programme fertig, kann man sie herunterladen und auf den Mikrocontrollern installieren. Die Web-Programmierbaukästen existieren in der Regel auch als Offline-Version zum Herunterladen.

Welche Alternativen gibt es zu Mikrocontrollern?

Um Kindern einen Einstieg ins Programmieren zu ermöglichen, braucht man nicht zwingend einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller zeigt aber sehr anschaulich die Zusammenhänge zwischen Programmiersprache und praktischer Anwendung auf. Kinder lernen dadurch, dass Controller in so ziemlich jedem technischen Gerät verwendet werden und in welchen Anwendungen überall Programmiersprachen zum Einsatz kommen.

Die Grundlagen des Programmierens können aber auch ohne Mikrocontroller vermittelt werden. Hilfreich sind hierbei die bereits erwähnten Programmier-Baukästen Scratch oder Open Roberta. Die Programmier-Ergebnisse werden einem direkt angezeigt oder wie bei Open Roberta auf einem Mikrocontroller oder Roboter simuliert.

Einen sehr kindgerechten Einstieg in die Welt des Programmierens bietet die Seiten Code.org mit unzähligen Programmierkursen, die nach Altersstufe sortiert sind. Unter anderem können Kinder hier im Starwars-Kurs die bekannten Starwars-Charaktere mit Programmierbefehlen zum Leben erwecken. Ziel des Kurses ist, ein Spiel zu programmieren, bei dem R2-D2 in Pacman-Manier auf Stormtrooper-Jagd geht.

Spielerisch geht es auch bei CodeCombat zu. Jugendliche lenken in dem Browserspiel ihren Actionhelden durch eine Fantasy-Welt, sammeln Schätze ein und bezwingen Gegner. Mithilfe der Programmiersprachen Python, JavaScript oder HTML müssen sie ihre Spielfigur steuern. Dadurch lernen sie verschiedene Befehle kennen und gewöhnen sich daran zu tippen. Vorausgesetzt werden der Umgang mit der Tastatur sowie grundlegende Englisch-Kenntnisse.

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