Arduino, Raspberry Pi & Co.

Arduino, Raspberry Pi und Co. können helfen, physikalische Zusammenhänge aus Alltag und Technik zu erkunden und somit den Bezug zur Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler zu stärken. Im Vordergrund stehen zunächst die physikalischen Grundlagen von attraktiven Kontexten, in denen Arduino, Raspberry Pi und Co. verwendet werden. Dabei kann der Physikunterricht in verschiedenen Bereichen gestärkt werden, insbesondere bei Fragen zur modernen Messtechnik, beim Planen und Konzipieren von Experimenten und bei deren quantitativer Auswertung.

Der Beitrag stellt Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Arduino und Raspberry Pi vor. Außerdem wird der konkrete Nutzen dieser Geräte im Physikunterricht anhand von fünf Kategorien beschrieben. Darüber hinaus wird angesprochen, wie die Arbeit mit solchen Geräten auch einen Beitrag zur digitalen Bildung leisten kann.

Der Beitrag stellt schrittweise vor, wie eine LDR-Dämmerungsschaltung mit einem Arduino Uno gebaut und programmiert wird. Dabei werden die Anschlüsse des Arduino Uno, die Programmierumgebung und der Programmcode beschrieben und ergänzend erläutert.

Mit geringem Aufwand kann mit einem LDR, einem Piezo-Summer und einem Arduino ein Licht-Theremin gebaut werden. Diese faszinierende Anwendung ermöglicht einen phänomenologischen Zugang zur Halbleiterphysik, indem sie die Funktion eines variablen Widerstandes und den Einfluss der Bestrahlungsstärke augenscheinlich macht. Der Beitrag stellt den Bau des Licht-Theremins, die Programmierung des Arduino, die Einbindung in den Unterricht und physikalische Grundlagen zum LDR und Piezo-Tongeber vor.

Leuchtmittel, die ihre Farbe auf Knopfdruck oder in einem festen Rhythmus ändern, werden im Alltag immer häufiger. Meist bestehen sie aus RGB-LEDs und einem Steuergerät. Digital ansteuerbare RGB-LEDs sind die Zukunft der Beleuchtungstechnik und bereits zum Stückpreis von 1 € erhältlich. Der Artikel zeigt, wie sich mit einem Arduino das Funktionsprinzip der Steuerelektronik anschaulich nachbilden lässt. Hierzu wird zunächst beschrieben, wodurch sich die Pulsweitenmodulation im Vergleich zur klassischen Ansteuerung auszeichnet. Außerdem wird anhand der Farbmischung ein Unterrichtskonzept zu moderner Beleuchtungstechnik vorgestellt.

Was ist lauter? Tischerücken oder Klatschen? Wie kann man Schall isolieren? Diese und viele weitere Fragen können mit einem Arduino und einem Mikrofon beantwortet werden. Der Beitrag beschreibt das Funktionsprinzip einer Lärmampel mit Arduino und erläutert weitere schulische Anwendungsmöglichkeiten.

Ist ein kapazitiver Touchscreen von Smartphones eigentlich kompliziert? Nein, man benötigt lediglich Draht, Papier und einen Arduino, um diese Technologie nachzubauen und damit zu experimentieren. Dieser Beitrag liefert entsprechende Anleitungen und Informationen.

Im dem vorgestellten Unterricht zur Untersuchung von Alkoholdämpfen mit Sensoren und Arduino liegt der Schwerpunkt im Bereich der Halbleiterphysik, die für Schülerinnen und Schüler oftmals nicht ohne Weiteres zugänglich ist. Der Artikel erklärt die physikalischen Grundlagen des Sensors und beschreibt, wie durch Experimente und Visualisierungen mit einem Alkoholsensor und Arduino sowohl der Aufbau als auch die Funktionsweise des Sensors für Lernende anschaulich werden. Anschließend werden Schülerexperimente mit einem Alkoholsensor und dem Arduino beschrieben und Unterrichtsmaterialien vorgestellt.

Funkuhren sind zuverlässige Zeitanzeiger und nach wie vor weit verbreitet. Ihr Funktions- und Empfangsprinzip kann gut als einfache Anwendung eines offenen Schwingkreises im Rahmen des Themas „elektromagnetische Schwingungen und Wellen“ behandelt werden. Dabei ermöglicht die Nutzung günstiger Empfängermodule einfache Experimente, die anschauliche Ergebnisse liefern. Weiter lernen Schülerinnen und Schüler hier ein Funktionsprinzip der digitalen Datenübertragung kennen und decodieren mithilfe des Arduinos das DCF77-Zeitsignal, um z.B. eine autonome Uhr zu bauen.

Der hier vorgestellte Bordcomputer wurde als Mess- und Steuerinstrument für Wasserraketen entwickelt. Er ermöglicht eine sensorgesteuerte, vollautomatische Fallschirmauslösung nach Erreichen des höchsten Punktes des Raketenfluges. Ein Arduino-kompatibler Prozessor liest dazu die Daten von drei 3-Achs-Sensoren (Beschleunigung, Rollrate und Magnetfeld in drei Raumrichtungen) aus. Als weiterer Sensor wurde ein BME-280-Multisensor von Bosch angebracht, der Druck, Temperatur und Luftfeuchte misst. Damit kann das System nicht nur die Fallschirmauslösung steuern, sondern beim Raketenflug auch atmosphärische Parameter erfassen. Die zugehörige Fallschirmbucht ist ein 3D-gedrucktes Kunststoffmodul, das einfach und kostengünstig nachgebaut werden kann. Bauanleitungen und weitere Unterrichtsmaterialien für einen projektorientierten Unterricht werden vorgestellt. Ergänzt wird der Beitrag durch vielfältige Zusatzmaterialien im Internet.

Der StratoIno-Datenlogger wurde zum Erfassen von atmosphärischen Daten (Druck, Innen- und Außentemperatur und Luftfeuchte) sowie der GPS-Position bei Stratosphärenballonmissionen entwickelt. Er basiert auf arduino-kompatiblen, kleinen und kostengünstigen Modulen von Adafruit und Software, welche die Standard-Arduino-Libraries nutzen. Das Modul kann zudem um weitere Sensoren ergänzt werden. Grundsätzliche Überlegungen zu Stratosphärenballons und Einsatzmöglichkeiten für Messungen im Unterricht sowie Projektarbeiten werden vorgestellt. Ergänzt wird der Beitrag durch vielfältige Zusatzmaterialien im Internet.

Im Alltag nutzen wir die Ausgaben unterschiedlicher digitaler Geräte, ohne die physikalischen und technischen Hintergründe näher zu betrachten. Der Artikel gibt einen einfachen Zugang zur digitalen Datenverarbeitung und -ausgabe. Hierfür werden im Beitrag exemplarisch Daten eines Ultraschallsender- und Empfängermoduls mit einem Arduino aufgenommen und weiterverarbeitet. Für die Ausgabe werden unterschiedliche vom Arduino unterstützte Formate vorgestellt. Weiterhin werden Vorteile und Grenzen der einzelnen Ausgabeformate beschrieben.

Der Artikel erläutert die Chancen beim Einsatz des Raspberry Pi als Basis eines modular aufgebauten computergestützten Messwerterfassungssystems. Zusammen mit diversen Hardware-Zusätzen kann der Raspberry Pi vergleichsweise einfach und kostengünstig zur computergestützten Messwerterfassung verwendet werden kann. Aufbau und Verwendung des Systems werden anhand verschiedener Beispiele diskutiert: Temperaturmessung, Messungen in der Akustik sowie Ultraschallmessungen. Die dabei vorgestellte sukzessive Erweiterung des grundsätzlichen Aufbaus unterstützt zudem ein eigenständiges Experimentieren der Schülerinnen und Schüler.

Die Nutzungsmöglichkeiten von Multimetern im Unterricht können in Verbindung mit einem Einplatinencomputer erweitert werden. Der Beitrag zeigt, wie Messwerte eines Multimeters mit einem Raspberry Pi ausgelesen, gespeichert, aufbereitet und über WLAN auf andere webfähige Geräte verteilt werden können. Das Vorgehen wird für den Einsatz in der 8. Jahrgangsstufe beschrieben und dient zur Vertiefung der Temperaturmessung mithilfe eines temperaturabhängigen Widerstands. Hierzu werden ein Platintemperaturfühler, ein Raspberry Pi, ein Multimeter und eine Powerbank in einem mobil einsetzbaren Messhäuschen untergebracht. Die gemessenen Werte gelangen dann berührungslos zum Ausgabemedium (Smartphone, Tablet oder Computer). Das Vorgehen ist auf jede beliebige Messung im Physikunterricht adaptierbar.

Das von der Autorin vorgestellte Buch liefert Hintergründe und Anregungen für sprachsensiblen Unterricht in allen drei Naturwissenschaften. Neben theoretischen Informationen zum Thema "Sprache im naturwissenschaftlichen Unterricht" bietet das Buch auch unterrichtspraktische Beispiele sowie einen umfangreichen Teil mit didaktischen Empfehlungen.

Vorgestellt werden Messungen an Batterien verschiedener Nutzungsdauer und unterschiedlichen Alters in einer Schaltung mit Schiebewiderstand. Vorab wird die Spannung einer Batterie mit Innenwiderstand bei Belastung theoretisch modelliert, wobei die Änderung des Innenwiderstands mit Alter und Nutzungsdauer der Batterie berücksichtigt wird. Theoretische und experimentelle Ergebnisse werden miteinander verglichen.

In dem vorgestellten Experiment zur Erarbeitung der Entstehung der Mondphasen ermöglichen Aufnahmen mit dem Smartphone, den Blick eines Beobachters auf der Erde einzunehmen und gleichzeitig das Modellsystem Sonne, Erde und Mond von außen zu betrachten. Im Experiment können die Mondphasen auch von verschiedenen Breitengraden aus betrachtet werden. Neben typischen Materialien aus der Physiksammlung werden lediglich Styroporkugeln und Stecknadeln benötigt. Außerdem ist eine Übertragung der Aufnahmen in Echtzeit von Vorteil.