Vorgedachtes

Ziel der Teilnahme „Vordenker für Bremen“ der Firma ArcelorMittal Bremen GmbH ist, eine Lehr- und Projekteinheit in Form eines Schülerlabors zur MINT-Förderung für Schülerinnen und Schüler der dritten und vierten Jahrgangsstufe zusammen mit der Grundschule Rablinghausen und der Hochschule Bremen, Fakultät 4, Elektrotechnik und Informatik, anzubieten.

Die Idee im Kopf

Genau, zuverlässig, effizient und hochminiaturisiert sowie vernetzt zu messen und zu überwachen ist der Schlüssel, industrielle Produktionsprozesse kostengünstiger und ressourcenschonender zu machen. In der Konsumelektronik wünschen sich Nutzer immer mehr Komfort, Energieersparnis und Langlebigkeit. Auch Gefahren für Mensch und Gut sollen rechtzeitig erkannt werden, so dass schnell die richtigen Maßnahmen ergriffen und eingeleitet werden.

In diesen Aufgaben liegt das große Potential von multi-physikalischen, technologisch-gemischten Mikrosystemen und deren Fähigkeit, Beschleunigung, Druck, Entfernung, Temperatur, Durchfluss, Licht, chemische Konzentration und Vieles mehr zu messen. Sie erfüllen bereits heute höchste Anforderungen in der Industrie-, und Automobiltechnik bis hin zur Unterhaltungselektronik. Sie ermöglichen auch den Aufbau von großen intelligenten Netzwerken, z. B. zur Erdbebenvorwarnung durch flächendeckende Überwachung seismischer Aktivität oder zur Unfallvermeidung durch intensive Beobachtung von kritischen Materialeigenschaften.

Ein aktuelles Problem ist die industrienahe Nachwuchsförderung in den relevanten MINT-Fächern an den Schulen, um junge Menschen frühzeitig für Technik und Naturwissenschaften zu begeistern.

Eine Möglichkeit, derartige Technologien auch in Schul- und Hochschulbudgets nutzbar zu machen, ist der Roboterbausatz NIBOBee.

NIBObee lässt sich mit einem Einplatinencomputer, z.B. RaspberryPi erweitern, so dass Zugriff auf aktuelle Sensor- und Aktuatorenprodukte in Form von angepassten Zusatzplatinen (elektronisches Legosystem) möglich ist. Mit derartigen Systemen können Schülerinnen und Schüler früh in der Bildungsevolution Einblicke in ausgewählte Forschungsvorhaben erhalten, z.B. in der

• Geophysik, dort verwendete Lanzen (z.B. vom Alfred-Wegener-Institut (AWI), Erforschung des Polarmeeres zusammen mit dem Max-Planck-Institut) zur Entnahme von Sedimentproben müssen zur genauen Datenauswertung und -beurteilung eine Vielzahl von physikalischen Größen bei der Probenentnahme protokollieren;

• Medizintechnik, dort z.B. in der Rehabilitation eingesetzte intelligente, miniaturisierte Monitore, die die Komplianz [1] der Patienten erheblich verbessern und somit den Genesungsprozess unterstützen und beschleunigen;

• Agrarwissenschaft, bei der zur Pflanzenzucht Sensoren und miniaturisierte Steuereinheiten zur Ertragssteigerung beitragen, in dem z.B. der Reifegrad, die Feuchtigkeit und die Häcksellänge während der Zucht beobachtet und kontrolliert werden [Ruc13].

Naturwissenschaftliche und technische Lerninhalte können motivierend vermittelt werden, so dass die Natur mit vielen Sinnen begriffen wird und ökologische Einsichten visualisiert werden.

Umwelt im Blick

Mit dem Vordenker für Bremen Wettbewerb soll eine agrarwissenschaftliche Erweiterung des Schulgartens an der Grundschule Rablinghausen umgesetzt werden.

Die Schüler der Grundschule Rablinghausen erfahren die Natur im Schulgarten . Es werden z.B. Kartoffeln gezüchtet und die Arbeit der Bienen beobachtet.

Nach dem Vorbild der Erwachsenen soll die elektronische Biene NIBObee mit ihrer Steuereinheit und ihren Sensoren eine vorgedachte, agrarwissenschaftliche Erweiterung zur Beobachtung des Reifegrades und der Feuchtigkeit im Schulgarten werden.

Bis NIBObee betriebsbereit in den Schulgarten einzieht, durchlaufen die Schüler drei Entwicklungsphasen für ihre elektronische Biene:

• Phase 1 - Bauen und löten: Die Schüler bauen in Zweiergruppen unter Anleitung ihre eigene elektronische Biene in der Hochschule zusammen und nehmen diese in Betrieb. Lehrer, Professor, Laboringenieure und Studierende helfen beim Verständnis und Zusammenbau der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems. In dieser Entwicklungsphase werden den Schülern handwerkliche Tätigkeiten der Elektroindustrie, wie Löten und Bauteilkunde, aufgezeigt und angewandt.

• Phase 2 - Die Sinne schärfen: Es werden erste Experimente mit den Sinnen der elektronischen Biene in den Laboren der Hochschule durchgeführt, so dass die Schüler Videokamera und Feuchtesensor für den Außeneinsatz konfigurieren. In dieser Entwicklungsphase wird der Bezug zur nachhaltigen, ressourcenschonenden Landwirtschaft hergestellt. Die Schüler sollen gemeinsam mit den Betreuern überlegen, welche Informationen (Messwerte) sie benötigen, um beispielsweise den Wasserverbrauch für den Schulgarten zu reduzieren. Und sie können erarbeiten, welche Ereignisse sie beobachten müssen, um die Kartoffelernte zu verbessern.

• Phase 3 - Feldversuch: Die Schüler erproben NIBObee im Schulgarten und erheben erste Messwerte für ihre landwirtschaftlichen Aufgaben. Die Ergebnisse werden mit den Laborversuchen verglichen und weitere Ideen für zusätzliche Sensoren, die die Arbeit im Schulgarten unterstützen können, diskutiert.

Abb. 1 NIBObee passt auf! ©nicai systems

Nach dem Durchlaufen der drei Entwicklungsphasen werden die Schüler mit der elektronischen Biene NIBObee erfahren haben, wie moderne Elektronik (Hardware) und Computertechnik (Software) für ökologische Ziele sinnvoll eingesetzt werden kann.

Mit NIBObee erhält die moderne Landwirtschaft (Smart Farming – E-Traktoren, Acker-Drohnen und Sensoren für Rehkitze) Einzug in den Schulgarten, vgl. AGRITECHNICA, Roboter statt Glyphosat (Präzisionslandwirtschaft). Die Schüler können die Bearbeitung des Bodens verbessern, Ressourcen schonen und den Ertrag steigern. Sie erlangen tiefere Einblicke in ökologische Prozesse und können NIBObee mitwachsen lassen. Aufgrund des LEGO-Baukastenprinzips kann die elektronische Biene nach Belieben und Interesse erweitert werden.

[1]

In der Medizin spricht man von Compliance bzw. Komplianz des Patienten als Oberbegriff für dessen kooperatives Verhalten im Rahmen der Therapie. Der Begriff kann mit wiedergegeben werden. (entnom. aus Wikipedia)

In diesem Zusammenhang werden die Schülerinnen und Schüler der Grundschule Rablinghausen (Bremen) eine Woche lang in Laborräumen der Hochschule Bremen einen Roboterbausatz mit dem Namen NIBOBee der Firma nicai-systems aufbauen, programmieren und testen. Die elektronische Biene soll als Hilfe zur Gartenpflege in der oben genannten Grundschule eingesetzt werden. Dafür sind Erweiterungen an der Biene in Form einer Kamera und eines Temperatur-/Feuchtigkeitssensor vorgesehen. Durch den Einsatz der Kamera soll die Biene durch den Schulhof gesteuert werden können. Der Temperatur-/Feuchtigkeitssensor soll die Schülerinnen und Schüler auf die Pflegebedürftigkeit des Gartens hinweisen.

Referenzen

[Ruc13]

Arno Ruckelshausen. Sensortechnik in der landwirtschaft. In Saaten-Union Feldtag in Langenstein, COALA - Competence in Applied Agricultural Engineering. June 2013. URL: http://www.saaten-union.de/index.cfm/nav/1065/article/8120.html.