3D-Modellflughafen mit Arduino

3D-Modellflughafen mit Arduino

Projekt „Modellflughafen“

Einen Flughafen im Modellbaumaßstab 1:185 (1,60×1,15m) in 3D modellieren, in 3D ausdrucken, mit Arduinos möglichst lebensecht darstellen und das in nur fünf Arbeitstagen mit 35 Schülerinnen und Schülern, die überwiegend weder in 3D modellieren noch Arduinos programmieren können? Wie das geht, möchten wir nachfolgend beschreiben und Sie zur Kopie eines Teils oder der ganzen Idee animieren!

Idee und Ausgangslage

Einmal im Schuljahr findet für alle verbindlich eine Projektwoche statt, bei der alle Schülerinnen und Schüler aus den angebotenen Projekten ein Projekt auswählen und dieses fünf Tage lang bearbeiten. Der Leistungskurs Informatik überlegte sich, passend zum ausgegebenen Motto „Fliegen“ einen Flughafen zu bauen. Neben der Gestaltung des Holzbretts beinhaltet dies die 3D-Modellierung mit Hilfe des kostenfreien Programms 3D-Blender, den 3D-Druck mit Hilfe unseres 3D-Druckers sowie die Positionierung und farbliche Anpassung von Autos, Bussen, LKWs, Tankwagen, Treppenwagen, Flugzeugen, Hangars, Halterungen, Tower … Hinzu kommt noch die Beleuchtung des Flughafens sowie des Terminals bei Dunkelheit, des Towers, des Feuerwehr-Autos, der Flugzeuge, der Landebahn sowie die Bewegung des Radars, eines Displays mit den aktuellen Abflügen sowie passenden Flughafen-Sound auf Knopfdruck und …. mit Hilfe zahlreicher Mikrocontroller-Boards („Arduino“) einschließlich Verkabelung und ordentlichen Lötstellen.

Ok, die Idee stand, zwei Informatik-Lehrer (Frau Haase, Herr Vorwerk) unterstützten dieses Projekt und ehemalige sowie aktuelle Schülerinnen und Schüler erklärten sich bereit, das Projekt während der Projektwoche aktive zu unterstützen. Der Förderverein unterstützte das Vorhaben mit etwa 120 Euro für Holz und Kleinteile und der 3D-Drucker des Fachbereichs Informatik war fester Bestandteil des Projekts.

Organisation

Es ist schon zu Anfang glasklar: Das Projekt in dieser Größe kann nur mit stark arbeitsteiliger Organisation, klaren Arbeitsstrukturen und gut definierten Zielen gelingen. Um dies zu gewährleisten und stets den Stand der Entwicklungsarbeiten zu kennen, wurde nach dem modernen Informatik-Software-Entwicklungsmodell Scrum gearbeitet: Herr Vorwerk, Frau Haase und Oliver wurden zu Product Ownern, die anleitendenden Schülerinnen und Schülern zu Scrum-Mastern („Projektleiter“) und die teilnehmenden Schüler zum Entwicklungsteam. Eine Aufteilung in mehrere Teams war wirklich dringend notwendig und im die Entscheidung für Scrum im Nachhinein auch die absolut richtige Entscheidung:

  • Das Leitungsteam: Frau Haase, Herr Vorwerk und Oliver als Product Owner legten im Voraus gemeinsam mit den Leistungskurs-Schülern des 3. Semesters die Entwicklungsziele (Product Backlog) fest, definierten die Arbeitsschritte,  die Abnahmekriterien („DoD – Definition of done“) und standen den Projektleitern während der Projektwoche stets zur Seite, wenn schwierige Fragen auftauchten.
  • Das Arduino-Team unter Leitung von Melanie und Alexandra (beide Leistungskurs Informatik, 4. Semester): Mit Hilfe eines Demo-Boards und selbst erstellten Arbeitsblättern lernten die Schüler dieses Teams unter Anleitung der drei Schülerinnen die Grundzüge der Arduino-Programmierung kennen. Mit diesem Basiswissen entschieden sie sich selbständig für einzelne Aufgaben (Scrum Tasks) und programmierten diese stark arbeitsteilig. Meetings unter Leitung der Schülerinnen halfen, den Überblick über Entwicklungsstände zu behalten. Es folgte unmittelbar der Einbau der Entwicklungen auf dem Modellflughafen einschließlich Verkabelung.
  • Die 3D-Blender-Teams I  bzw. II unter Leitung von Jonas und Moritz (beide Leistungskurs Informatik, 4. Semester) bzw. Alexander und Raphael (Grundkurs Informatik, 2. Semester): Die zwei Projektteams brachten den Schülern die Grundlagen der 3D-Modellierung bei. Auf Basis dieses Wissens wurde auch hier stark arbeitsteilig an der Modellierung der zahlreichen 3D-Objekte für den Flughafen gearbeitet. Regelmäßige Meetings halfen, den Überblick zu behalten. Fertige Modellierungen wurden abgenommen und sofort für den Druck vorbereitet.
  • Die Dokumentation unter Leitung von Luisa (Leistungskurs Informatik, 4. Semester): Die gesamte Arbeit aller Beteiligten wurde mit dem privaten Equipment von Luisa in Videos und Fotos festgehalten und mit Hilfe von Imovie zu einem äußerst sehenswerten Video zusammengeschnitten. Ein Zeitraffer-Video hält zudem alle fünf Tage weniger als vier Video-Minuten fest.

Ergebnisse: Und wie sieht der Flughafen nun aus?

Nach vielen Planungs-Meetings, fünf Arbeitstagen, ca. 900 Arbeitsstunden, ca. 70 Metern zweiadrigem Klingeldraht, Bergen von Lötzinn und Druck-Filament, elf Mikrocontrollern (Arduino und Raspberry Pi) sowie zahlreichen Lüsterklemmen, LEDs und Fehlern ist der Flughafen tatsächlich fertig geworden – und wurde am Samstag (24.01.2015) zum Tag der offenen Tür zum Besuchermagnet. Zugegeben: Wir hatten von Anfang an keine Entrauchungsanlage geplant, um keine Schwierigkeiten bei der Abnahme zu bekommen 🙂

Aber Bilder und Videos sprechen mehr als 1000 Worte:

Ein Zeitraffer-Video aller fünf Tage

Eine wirklich sehenswerte Zusammenfassung der Projektwoche

Nett… Aber außer ein bisschen Spielerei hat niemand etwas gelernt, oder?

Weit gefehlt!

  • Das haben die Schüler bei 3D-Blender gelernt: Arbeiten im dreidimensionalen Raum und Arbeiten mit mathematischen Grund-Figuren (Quader, Würfel, Zylinder, …), skalieren, manipulieren und Modellierung verschiedener Grundfiguren zum fertigen Produkt nach präzisen Vorgaben sowie Beachtung der Kriterien des 3D-Drucks (insbesondere Winkelbestimmungen und keine „freischwebenden“ Teile), farbliche Gestaltung der ausgedruckten Modelle.
  • Das haben die Schüler bei Arduino gelernt: Der Aufbau des Mikrocontroller-Boards Arduino, einfache Schaltung einer LED mit passend dimensioniertem Widerstand, dimmen von LEDs, Schalten mehrerer LEDs, Einbau von Tastern sowie Schalten von Displays, Motoren, … eigenständige Verkabelung und Realisierung der Schaltung auf dem Flughafen-Board. Auch der Raspberry Pi aus dem Privatbesitz eines Schülers wurde eingesetzt.
  • Das haben die Projektleiter mitgenommen: Anleitung von „fremden“ Schülern, praktischer Einsatz des Software-Entwicklungsmodells Scrum, Verteilung und Überprüfung der einzelnen Scrum-Tasks und die Beantwortung von Fragen, Fragen, Fragen…

Und das war enorm wichtig für den Erfolg

Dass jeder Einzelne mit seinem spezieller Aufgabe wichtig für das Projekt-Gelingen war und seine Aufgabe ernst genommen hat.

Es war die Motivation aller Schüler und die vielen Überstunden, die das Projekt letztendlich zum Erfolg verholfen haben. Zum Tag der offenen Tür kamen die Eltern und ließen sich von ihren stolzen Kindern den Flughafen erklären. Schüler, bei denen Spaß und Interesse an der Informatik geweckt wurde und die in wenigen Jahren eventuell in die Fußstapfen der jetzigen Projektleiter aus der Oberstufe und dem Leistungskurs treten – während die jetzigen Projektleiter zu ehemaligen Schülern werden und eine eigene AG übernehmen (siehe nächster Punkt)…

Wie ging es dann weiter?

Folgende weitere Ziele haben wir nach der Projektwoche erreicht:

  • Girls Day 2015: Durchführung des Arduino-Projekts in abgespeckter Form zum Girls Day 2015 in Zusammenarbeit mit der Fakultät für Informatik an der Humboldt-Universität in Berlin-Adlershof. Alexandra, Melanie und Luisa führen dieses Projekt mit interessierten Berliner Schülerinnen durch. Interessierte Schülerinnen können sich hier anmelden.
  • Zwei Artikel über das eben genannte Girls-Day-Projekt erschienen im Adlershof-Magazin (online sowie in der Magazin-Ausgabe) sowie im Magazin „humboldt chancengleich“ Humboldt-Universität.
  • Anmeldung zur Maker Faire: Einstimmig wurde beschlossen, dass Projekt zur Maker Faire am 4. und 5. Oktober in Berlin anzumelden und dort zu präsentieren. Die zwei Tage auf der Messe haben sich wirklich gelohnt!
  • Eine neue AG ab Sommer 2015: Ab dem kommenden Schuljahr wurde eine neue AG „Modellbau“ eingerichtet werden, die von einer jetzigen Schülerin des Leistungskurses Informatik aus dem 4. Semester übernommen werden soll.
  • Eine Bewerbung zum Mädchenpreis 2015 des Berliner Bezirks „Treptow-Köpenick“ für ganz besonderes MINT-Engagement. Hierfür haben sich die beiden Ideengeberinnen, Girls-Day-Organisatorinnen, ehemalige LK-Schülerinnen Melanie Schulze und Alexandra Pötke beworben – und den ersten Platz gewonnen (siehe hier und hier)!
  • Eine ausführliche Beschreibung als Artikel (online und im Magazin) über „DIY-Werkzeugkasten für Making“ des Modellflughafens Schönefeld von www.medien-in-der-schule.de.
  • Projektwoche 2016: Das Projekt werden wir nicht wiederholen, sondern wollen die gemachten Erfahrungen in ein neues Projekt Anfang 2016 einbringen. Auf Basis der Schüler-Ideen wurde für Januar 2016 das Projekt „Berlin – selbst designed“ aus der Taufe gehoben.
  • Eine Ideen-Werkstatt – ein eigenes Maker-Labor! Den enthaltenen Ideen aus diesem Pilotprojekt wollen wir buchstäblich einen eigenen Raum geben. Einen Raum, in dem die neue AG stattfinden kann und in dem eine Sammlung an Mikroprozessoren und Teilen zur Verfügung steht. Einen Raum, in dem Schüler nach eigenen Vorstellungen Schaltungen entwicklen und ausprobieren können. Einen Raum, in dem Ideen für neue Projektwochen entstehen und umgesetzt werden können. Einen Raum mit Computern, um die Entwicklung von mobilen Applikationen (Apps) zu ermöglichen. Einen flexibel nutzbaren Raum für kreative Köpfe von heute und morgen – eben einen Raum für Maker.