Friedrich-Schiller-Gymnasium Pfullingen
Heute ist Freitag, der 24.11.2017

Schüler-Ingenieur-Akademie

 

 

Schüler-Ingenieur-Akademie (SIA)


Die Schüler-Ingenieur-Akademie (SIA) ist eine einjährige Arbeitsgemeinschaft für 16 Schülerinnen und Schüler der Klassenstufe 10. Sie findet in der Regel freitags von 14 Uhr bis 16 Uhr statt und wird ergänzt durch ganztägige Exkursionen und Seminare. Dabei soll das vorhandene naturwissenschaftliche und technische Interesse der Schülerinnen und Schüler gestärkt und Einblicke in diese Arbeitsfelder und deren Berufe ermöglicht werden.


In diesem schulübergreifenden Projekt arbeiten die zwei Gymnasien mit der Hochschule Reutlingen, der Universität Stuttgart, der Firma Bosch und mit Südwestmetall zusammen.
 
Zu Beginn des Kurses wird zur Teambildung stets ein Outdoorseminar durchgeführt. Dabei wachsen die Schülerinnen und Schüler der beiden Schulen aus unterschiedlichen Klassen bei der Lösung vielfältiger Aufgaben schnell zu einer festeren Gruppen zusammen.

 

 

Raketenprojekt


In den vergangenen Schuljahren hatten die Schüler die Aufgabe, eine Modellrakete mit elektronischem Startgerät zu entwerfen und zu bauen.

 


 

In Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Maschinenbau der Hochschule Reutlingen konstruieren die Schüler den Motorhalter der Rakete frei in CAD. Messungen zum Schubdiagramm der Raketenmotors liefern wichtige Daten zur Bestimmung der Flughöhe. In einer Vorlesung werden die Grundlagen der Raketenphysik behandelt. Windkanal-Messungen im Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der Uni Stuttgart liefern wichtige Daten für die Simulation der Flubbahn. Mit Unterstützung der Firma Bosch entsteht eine Messplatine in SMD-Technik, die einen Drucksensor und einen Mikrocontroller beinhaltet. Die Platine fliegt als Nutzlast mit der Rakete mit und zeichnet die Flughöhe während des Fluges auf.

Am Ende des Schuljahres stellen die Schülerinnen und Schüler ihre Ergebnisse des ganzen Jahres in einer Abschussveranstaltung der Öffentlichkeit vor. Zu diesem Vortrag in den Räumen der Fa. Bosch sind die Eltern, die Schulleiter, alle Beteiligten und die Presse geladen. Die Schüler bekommen für ihre erfolgreiche Teilnahme ein Zertifikat überreicht.


Im Projekt Startgerät sollen möglichst viele Aspekte naturwissenschaftlichen Lernens und Arbeitens aufgegriffen werden. Die Anbindung an den bekannten Schulstoff ist genauso wichtig und motivierend wie das Erlernen neuer Sachgebiete.

 

Um in die Lage versetzt zu werden, eine elektronische Schaltung selbst zu entwickeln, bekommen die Schüler eine Einführung in die Grundlagen der Elektronik und können mit dem Simulationsprogramm Crocodile Physics eigene Ideen testen. Das Programm steht allen Schülern am Einzelplatz zur Verfügung. Auf der Basis der selbst entworfenen Schaltung wird ein Layout erstellt. Im Ätzverfahren wird die Platine individuell gefertigt, von den Schülern bestückt und in ein Gehäuse gebaut.

 

       

 

Das Projekt Modellrakete stellt zwei grundlegende Herausforderungen an die Schülerinnen und Schüler: zum einen die Konstruktion und den Bau der Rakete, zum anderen die Ermittlung der Flughöhe in Theorie und Praxis.


Eine Aufgabenstellung ist die Konstruktion eine Halters für handelsübliche Raketenmotoren. Nach einem Lehrgang im CAD-Labor der Hochschule kann jeder seine eigenen Ideen im Programm ProEngineer umsetzen. Nach Rücksprache mit Ingenieuren der Hochschule werden die Einzelstücke im Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt.

Beim Bau der Rakete muss neben der richtigen Auswahl und Dimensionierung der Materialien ein Bergesystem konstruiert und eingebaut werden, damit die Rakete wieder verwendbar ist. Die richtige Lage von Gewichts- und Flächenschwerpunkt spielen eine entscheidende Rolle bei der Flugstabilität.

 

Für die Berechnung der Flughöhe jeder Rakete werden alle erforderlichen Daten ermittelt: Der cW-Wert für den Luftwiderstand im Windkanal, die Schubkräfte des Raketenmotors mit Hilfe von Computer-Messwerterfassung und die Masse der Rakete unter Berücksichtigung des Brennstoffs. In einer speziell auf das Projekt abgestimmten Physik-Vorlesung an der Hochschule erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass die Berechnung der Flughöhe kein geschlossen lösbares Problem ist, sondern numerisch gelöst werden muss. In Excel führt jeder die Berechnungen für seine Rakete durch.

 

Im Rahmen eines Flugtages starten alle Raketen. Messungen ergeben gute Übereinstimmungen der Flughöhe in Theorie und Praxis.

 

Das Projekt Messplatine umfasst den Aufbau einer Platine mit Drucksensor und Mikrocontroller in SMD-Technik. Die winzige Platine ist in der Lage die Flughöhe mittels Luftdruck zu messen und mehrmals pro Sekunde abzuspeichern. Eine Auswertung erfolgt nach Bergung der Rakete am PC. Der vielfältig einsetzbare Mikrocontroller muss dazu programmiert werden. Die Schüler erhalten dabei eine Einführung in die Programmierung in der Sprache C. Jedem Schüler steht dazu ein eigenes Entwicklungsboard mit Mikrocontroller zur Verfügung, das jeder Schüler behalten darf. Aufbau der Platine erfolgt in der Ausbildungsabteilung der Firma Bosch, ergänzt durch Exkursionen in die Abteilungen Sensorentwicklung und Sensortest. Die Programmierung erfolgt an der Hochschule. Bosch und die Hochschule arbeiten dafür in Vorbereitung und Durchführung eng zusammen. Das Programm ermöglichst es, die Daten nach dem Flug über eine USB-Verbindung an einen PC zu senden, um sie dort mit Excel auszuwerten.

 

 

Einen Abschluss findet das Projekt mit einem Flugtag und einer feierlichen Abschlussveranstaltung, bei der die Schüler das SIA-Jahr der Öffentlichkeit präsentieren.

 

      

 

Im zweitägigen Präsentationsseminar wird intensiv geübt, sich selbst als Person zu präsentieren. Die Videounterstützung erleichtert die Reflexionsphasen.

 

 

 

 

Flugzeugprojekt


Im laufenden Schuljahr 2013/14 haben wir ein neues Projekt gestartet. Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Spielzeug-Wurfgleiter zu einem Motorflugzeug umrüsten, um ihn mit einer selbst programmierten Smartphone-App zu steuern. Dafür dürfen die Schüler die komplette Mechatronik von der App-Software bis zum Antrieb selbst realisieren.


Die Basis hierbei ist der Spielzeug-Wurfgleiter Felix80, den die Schüler in ein intelligentes mechatronisches System umbauen.

 

 

Das Herzstück des Flugzeuges ist eine Arduino-Mikrocontroller Platine. Diese wird mit einem Bluetooth-Sender versehen, damit sie mit einem Android Smartphone kommunizieren kann. Der Arduino steuert die Höhen- und Seitenruder des Flugzeugs sowie den Elektromotor für den Propeller. Dazu wird eine Android App von den Schülern erstellt, mit der das Flugzeug via Bluetooth über den Arduino gesteuert wird.


Der Arduino empfängt zudem Daten mitfliegender Sensoren und überwacht die Qualität der Funkverbindung bzw. den Akkuladestand des Flugzeugs.

Die Schüler erfahren dabei hautnah die Kerngebiete der Mechatronik: Mechanik, Antriebe, Sensorik, Mikrocontroller, Elektronik, Informatik und Kommunikationstechnik.

 

Mit der Open Source IDE Processing wird eine Android App erstellt. Diese App sendet die Steuerbefehle über Bluetooth an einen Bluetooth-Seriell-Konverter, der an einen Arduino angeschlossen ist. Die Steuerbefehle können z. B. eine auf dem Bildschirm gedrückte Taste, das Betätigen der seitlichen Lautstärketasten oder ein Kippen des Smartphones sein. Hierbei entscheiden die Schüler selbst, auf welche Weise sie das Flugzeug steuern möchten.

Der Arduino setzt diese Steuerbefehle in Pulsweiten-Signale (PWM) um, mit denen die beiden Servos und der Motorregler gesteuert werden.

 

 

Neben der Kommunikation vom Smartphone zum Flugzeug ist aber auch die Kommunikation in die Gegenrichtung notwendig: Der Arduino zählt die empfangenen Steuerbefehle pro Sekunde und meldet diesen Wert an das Smartphone zurück. Über diesen Wert kann die App des Smartphones erkennen, wenn die Funkverbindung an ihre Grenzreichweite kommt. (Der Arduino erkennt dies ebenfalls, und schaltet dann z. B. den Motor aus.)

 

 

Eine ausführliche Beschreibung des Projekts und viele detaillierte Anleitungen findet man auf der Seite ArduSmartPilot - High Tech Mechatronic von Schülern der Hochschule Reutlingen, deren Inhalte in Teilen übernommen und angepasst wurden. Die Inhalte, ihre Verbreitung und Weitergabe unterliegen den Creative Commons Lizenzbedingungen.

 

ArduSmartPilot (Hochschule Reutlingen) / CC BY-NC-SA 4.0