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Vom Tischfußball-Klassiker zur Hightech-Innovation: ein handlungsorientiertes E-Werkstatt-Projekt

Innovation und Fortschritt als Grundlage der fachpraktischen Ausbildung (FpA) Elektrotechnik an der Fachoberschule Ansbach

Die Elektrotechnik ist ein dynamisches Feld, das kontinuierlich neue Technologien und Entwicklungen hervorbringt. Die Möglichkeit, an innovativen Projekten und neuesten Technologien zu arbeiten, fasziniert Schüler*innen und ermöglicht es, das Fachgebiet Elektrotechnik in der Praxis zu erleben. Elektronik findet in zahlreichen Bereichen Anwendung, von der erneuerbaren Energieerzeugung, über die Kommunikationstechnik im Smartphone bis hin zu modernen Programmierungen, wie der künstlichen Intelligenz.

Die Schüler*innen sehen sich im späteren Beruf oft komplexen Problemen gegenüber, die kreatives Denken erfordern. Auch werden die Schüler*innen in zunehmend interdisziplinären Teams arbeiten, was nicht nur ein breit gefächertes Fachwissen, sondern auch viel soziale Kompetenz erfordert.

Mit der Fachpraktischen Ausbildung Elektrotechnik werden die Schüler*innen genau auf dieses anspruchsvolle Arbeitsumfeld vorbereitet, indem sie lernen in Teamarbeit selbstständig komplexe technische Probleme mit kreativen und innovativen Ansätzen zu lösen. Dabei knüpft die FpA an das im Technologie- und Physikunterricht erworbene Wissen an und vertieft dieses praxisnah. Mit der FpA Elektrotechnik werden die Schüler*innen also optimal auf ihr späteres Arbeitsleben vorbereitet.  

Dieser Bericht soll durch das grundlegende Konzept der fachpraktischen Ausbildung Elektrotechnik bis zur Umsetzung unseres neusten Projektes, den Bau eines elektronischen Tischkickers führen.

Grundlegendes Konzept der FpA Elektrotechnik

Bausteine der Elektrotechnik sind Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Halbleiterbauelemente wie Transistoren und Dioden. Das Verständnis von physikalischen Zusammenhängen und grundlegenden Schaltungskonzepten ist essenziell für die FpA Elektrotechnik. Das Verständnis der Bauelemente und ihrer Funktionen ist nämlich der Schlüssel für den Entwurf elektronischer Schaltungen und komplexerer Systeme. Hierbei kommt es darauf an, die richtigen Komponenten auszuwählen, Schaltungen zu analysieren und effiziente Layouts zu erstellen. Das CAD-Tool „Target“ ist dabei ein wichtiges Werkzeug.

Mikrocontroller sind die Schaltzentrale vieler elektronischer Projekte. Das Verständnis von Programmierung und die Anwendung von Sprachen wie C++ oder Python sind grundlegend, um die gewünschte Funktionalität umsetzen zu können. Dabei lernen die Schüler*innen die praxisnahe Anwendung dieser Programmiersprachen an Mikrocontrollern wie dem „Arduino“ oder Raspberry Pi.

Ein Projekt wird oft durch die Integration von Sensoren (z.B. Lichtsensoren, Temperatursensoren) und Aktoren (z.B. Motoren, LEDs) lebendig. Das Verständnis ihrer Funktionsweise und Integration in Schaltungen eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten.

 Beschreibung des Projekts „Tischkicker“

Nachdem die Grundlegenden Konzepte in der FpA Elektrotechnik erörtert worden sind, soll nun die Umsetzung des neusten Projektes der Schüler*innen beschrieben werden.

Bei diesem Projekt handelt es sich um einen Tischkicker mit elektronischen Funktionen wie einer Toranzeige, einem Torjubel und einer Zugangskontrolle welches das klassische Tischfußballspiel mit moderner Technologie verbinden soll.

Zunächst mussten die erforderlichen Hardware-Komponenten von den Schüler*innen zusammengestellt werden. Hierzu zählen unter anderem Sensoren zur Torerkennung, Lichtschranken, LED-Displays zur Anzeige des Torstands, ein kleiner MP3 Player für die Wiedergabe des Torjubels und der richtigen Vereinshymne, sowie ein Lautsprecher zur Ausgabe des Tons. Weiterhin wurde von den Schüler*innen eine kleine Tastatur zur Eingabe eines Passwortes verwendet. Als zentrale Steuereinheit dient ein Arduino-Mikrocontroller.

Die Schüler*innen haben im Voraus elektronische Schaltungen für jeden Teil des Projekts am Computer entworfen und geplant. Hierzu kam das bereits erwähnte CAD-Programm „Target“ zum Einsatz. Anschließend wurden von den Schüler*innen die Sensoren und Aktoren an den Mikrocontroller angeschlossen und auf Funktionalität getestet.

Danach haben sich die Schüler*innen der Programmierung des Mikrocontrollers gewidmet. Hierbei setzten sie ihr Können in der Programmiersprache C++ in die Praxis um. Die Schüler*innen programmierten den Mikrocontroller, um die verschiedenen Funktionen zu steuern. Dabei implementierten sie eine Logik für die Torerkennung, die Anzeige des Spielstandes, die Wiedergabe des Torjubels und der Vereinshymne und integrierten das Zugangskontrollsystem, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Spieler mit Hilfe eines Passworts am Tischkicker teilnehmen können.

Der größte Zeitaufwand entsteht in der umfangreichen Testphase. Dies beinhaltet das Überprüfen der Torerkennung, der Anzeige, des Torjubels, der Vereinshymne und der Zugangskontrolle hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Während der Testphase erfolgt eine kontinuierliche Analyse, der auftretenden Probleme, welche dann systematisch behoben worden sind. Die Optimierung der Codes und Schaltungen gemäß den Erkenntnissen aus der Testphase gewährleistet die Stabilität und Benutzerfreundlichkeit des Systems. Anschließend integrierten die Schüler*innen die elektronischen Komponenten in den Tischkicker und sorgen für eine ordnungsgemäße Verkabelung.

Nachdem die Testphase erfolgreich durchlaufen und etwaige Fehler behoben worden sind präsentierten die Schüler*innen stolz ihr elektronisch aufgerüstetes Tischkicker-System und ermöglichen der Schulfamilie, die innovative Technologie in unserer Aula selbst auszuprobieren. Das Projekt förderte also nicht nur das Verständnis für Elektronik und Programmierung, sondern ermöglicht auch ein unterhaltsames und gemeinsames Spielerlebnis.

Die Schüler*innen erkannten schnell, dass die Reise von den Grundlagen der Elektronik bis zur Realisierung ihres eigenen Projekts Zeit, Engagement und kontinuierliches Lernen erfordert. Dabei haben die Schüler*innen aber auch voneinander gelernt, sich selbst unterstützt und schließlich kreativ alle Hürden überwunden, die ihnen die komplexe Umsetzung des Systems in die Realität geboten, hatte.  Nach Abschluss des Projektes waren die Schüler*innen schließlich stolz auf ihre Umsetzung und haben das wohlverdiente gemeinsame Spielerlebnis am Tischkicker genossen.

Sebastian Beckenbauer und Maximilian Du Bois (11TA), Jörg Vogel, Fachpraktischer Ausbilder Elektrotechnik

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