„Sensorik macht Schule“ – Spaß am naturwissenschaftlichen Arbeiten

Pilotprojekt zwischen der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik der Hochschule Karlsruhe und dem Windeck-Gymnasium Bühl

18. Juni 2018

Konzentriert sitzen die Mädchen und Jungs der 9a des Windeck-Gymnasiums Bühl (WGB) im Praktikum des Profilfachs Naturwissenschaft und Technik (NwT) an ihren Experimenten. Sie berechnen und messen die Leitfähigkeit verschiedener Drähte, bauen Widerstände in Parallel- und Reihenschaltungen ein und lernen, dass ein kleinerer Querschnitt eines Drahtes einen höheren Widerstand bedeutet. Doch auch Temperaturänderungen führen zu einem geänderten Widerstand, was zur Temperaturmessung genutzt werden kann. Damit experimentieren die Schüler des WGB.

„Die jungen Leute sind gerade bei den Vorarbeiten zu dem kürzlich gestarteten Projekt „Temperatursensorik“, das mit Unterstützung durch ein Sensorikteam der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik (EIT) an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft angelaufen ist.“ Carmen Kohler und Marc Stengel sind Lehrer für Mathematik, Physik und NwT und unterrichten in diesem Schuljahr 58 Schülerinnen und Schüler der 9. Klassen. Sie gehören zu dem Team, bestehend aus vier Lehrerinnen und Lehrern des WGB sowie einer Gruppe aus Professoren, Ingenieuren und Studierenden der Fakultät EIT, welches das Projekt „Sensorik macht Schule“ Ende 2017 ins Leben gerufen hat. Das ist aber erst der Anfang der Zusammenarbeit: Das Windeck-Gymnasium wird auf dem Gebiet „Sensor- und Informationstechnik“ einen Schwerpunkt im Fach NwT anbieten.

Mit dem neuen Bildungsplan, der 2020 in Klasse 9 eingeführt wird, sollen die Themengebiete „Elektrik/Elektronik“ und „Informatik“ im NwT-Unterricht behandelt werden. Demnach sollen die Schülerinnen und Schüler beispielsweise Algorithmen für zeit- und sensorgesteuerte Prozesse entwickeln, beschreiben und darstellen sowie elektrische oder elektronische Schaltungen realisieren und ihre Funktionsfähigkeit untersuchen. Deshalb wurde diese Kooperation mit der Fakultät für EIT geschlossen, deren Institut für Sensor- und Informationssysteme (ISIS) das Projekt mit dem nötigen Fachwissen tatkräftig unterstützt.

Seit Januar 2018 wird das Projekt „Temperatursensorik“ in den drei NwT-Klassen der Jahrgangsstufe 9 des WGB umgesetzt. Dazu hat der Sensorik-Student Sebastian Kromer während seines Praxissemesters am ISIS Temperatursensoren mit Platin-Mikrostrukturen auf Keramikchips entworfen und hergestellt. Diese Chips wurden mit Kontakten versehen und mit einer Kapsel aus Epoxidharz luft- und wasserdicht umschlossen. Damit können die Schüler verschiedene Messungen und Versuche durch-führen. Nach Kalibrierung des Sensors können die Messungen mittels eines Mikrocontrollers ausgewertet und die Temperatur angezeigt werden – so das Ziel des Lehrprojektes. Zum Aufbau der Messtechnik in Hard- und Software hat das ISIS Beispiele für das WGB bereitgestellt. Die Schüler und Schülerinnen lernen das Zusammenspiel von Mess- und Informationstechnik in einem intelligenten Sensorsystem kennen und können in der Programmiersprache C selbst das Auswerten der Sensorsignale verstehen und üben.

„Angefangen haben wir im Januar mit dem Programmieren, jetzt geht es schrittweise weiter mit Versuchen bis zur Messung und Auswertung mit dem Sensor“, erklärt Carmen Kohler. „Die Schüler sind mit Neugierde und Begeisterung dabei, sie lernen und verstehen die physikalischen Gesetze viel einfacher und besser, wenn sie selbst aktiv an den Versuchen arbeiten und diese verändern können. Und auch das Programmieren hat für sie keinen Schrecken mehr.“ Der Zugang zu den Naturwissenschaften und technischen Zusammenhängen werde auf diese Weise erlebbar, findet die Lehrerin.

„Sensor- und Informationstechnik ist weltweit eine der wichtigsten, wegweisenden technologischen Entwicklungen der letzten zehn Jahre mit herausragender Bedeutung für die deutsche Wirtschaft“, erklärt Professor Dr. Heinz Kohler, Sprecher des ISIS. „Sie ist ein junges, interdisziplinäres Lehrgebiet, das auf den klassischen Bereichen Physik, Chemie, Mathematik, Elektrotechnik und Informatik basiert.“ Marc Stengel, Abteilungsleiter für MINT (Mathematik Informatik, Naturwissenschaften und Technik) ergänzt: „Mit dem Pilotprojekt ist es nicht nur gelungen, den neuen Bildungsplan bereits drei Jahre zuvor zu bedienen, sondern auch für Schüler der Klasse 9 eine interessante und zukunftsweisende Perspektive aufzuzeigen“.

Professor Dr. Harald Sehr, Leiter der Studienrichtungen Sensorik und Umweltmesstechnik an der Fakultät EIT, beschreibt die Motivation des Sensorik-Teams: „Es sind sowohl naturwissenschaftliche als auch elektrotechnische Inhalte gefragt, um ein Sensorsystem entwickeln zu können – angefangen vom Sensorelement über die Signalverarbeitung bis hin zur Anzeige des Messwerts. Diese Faszination, die vielfältigen technischen Systeme vom Auto bis zum Smartphone mittels Sensorik mit Intelligenz auszustatten, wollen wir den Schülern vermitteln.“