Bundesministerin Wanka besucht Make Light-Projekte auf der Didacta

Mehr Do-it-Yourself, Open Science und Citizen Science in der Photonik.

Bild 1: Nadine Bergner vom InfoSphere erläutert Bundesministerin Wanka den Mikrocontroller, mit dem im Rahmen der Make Light-Initiative „Informatik Enlightened“ Jugendliche verschiedenste Photonik-Projekte programmieren und bauen können. Bild: VDI Technologiezentrum, Fotograf: Janto Trappe

Bild 2: Mit der SenseBox Photonik (im grünen Kasten rechts) wurden Temperatur, Luftfeuchte und Helligkeit live auf der Didacta gemessen. Bild: VDI Technologiezentrum, Fotograf: Janto Trappe

Bild 3: Mit Unterstützung der Make Light-Initiative des Bundesbildungsministeriums entwickelte das InfoSphere-Team Elektronik Lernkits mit allen nötigen Materialien für digitale Photonik-Projekte. Bild: VDI Technologiezentrum

Bild 4: Im Rahmen des Make Light-Wettbewerbs erhielt die Arduino basierten DIY-Sensorstation ein Photonik-Upgrade für Citizen Science Projekte rund ums Licht. Bild: SenseBox

Bild 5: Das EduFab-Projekt macht Prozessketten und deren Produktionsschritte mit Hilfe von FabLab-Technologien für Kinder und Jugendliche erlebbar. Bild: VDI Technologiezentrum

Bild 6: Photonik-Experimente mit Lasern und Optiken werden dank der beliebten Plastiksteinchen für den Unterricht erschwinglich. Bild: Universität Osnabrück, Fachbereich Physik, Ultrakurzzeitphysik, LEGO® Photonics

24.02.15

VDI Technologiezentrum

Bundesbildungsministerin Prof. Dr. Johanna Wanka hat am Eröffnungstag der Didacta in Hannover, der größten europäischen Bildungsmesse, gemeinsam mit Karl-Heinz Klare, Vizepräsident des Niedersächsischen Landtages, die Make Light-Projekte am Messestand des Bundesministeriums für Bildung und Forschung besucht.

Dort trafen sie auf eine Do-it-Yourself Sensor-Messstation, einen Laserlaboraufbau für die Oberstufe aus LEGO©-Steinen, ein Schulkonzept in dem Schülerinnen und Schüler mit FabLab-Mitteln zum Produzenten werden und einen Mikrocontroller-Kurs für Jugendliche, der in die Erschaffung bzw. Programmierung von eigenen Lichtprojekten mündet.

Am Stand des Informatik Schülerlabors InfoSphere zeigte Nadine Bergner, Leiterin des Aachener Schülerlabors, Frau Wanka einen Mikrokontroller, der mit begleitenden Materialien für Licht-Projekte von Schülerinnen und Schülern an Lernorte nach ganz Deutschland geht. Für das Projekt "Informatik Enlightened" hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung bereits im Rahmen der Make Light-Initiative die Mittel für über 250 dieser "Photonik-Elektronik Lernkits" zur Verfügung gestellt.

Am SenseBox-Stand gab Bundesbildungsministerin Wanka zugleich den Startschuss für ein deutschlandweites Photonik-Sensornetzwerk. Live von der Messe wurde dann auch gleich eine Messung vorgenommen. Thomas Bartoschek von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster erklärte, wie das funktioniert: In einer kleinen grünen Box steckt die DIY-Messstation, die SenseBox Photonik, die mit verschiedene optische Sensoren die Temperatur, Luftfeuchte und Helligkeit misst. Die Daten wurden dann auch direkt in eine Internet-Karte, der OpenSenseMap, von der Didacta aus eingetragen.

Im Rahmen dieses Photonik-Sensornetzwerks können wissenschaftlich interessierte Bürgerinnen und Bürger sowie Schülerinnen und Schüler Umwelt- bzw. Klimadaten messen. In Verbindung mit anderen Interessierten, mit deren Hilfe man dann entsprechende Sensorstationen in ganz Deutschland aufbaut, kann ein eigenes, flächendeckendes Messnetz erstellt werden.

Mit der Make Light-Initiative verfolgt das Bundesministerium für Bildung und Forschung das Ziel, die Hochtechnologien rund ums Licht mehr in das Bewusstsein der Bevölkerung zu bringen und Nachwuchs für diese innovative Zukunftsbranche zu generieren. Dafür fördert das Bundesbildungsministerium Photonik-Projekte mit innovativem und kreativem Ansatz im Bereich von Schulen, Hochschulen und anderen Lernorten, aber auch von wissenschaftlich oder technisch interessierten Bürgern.

SenseBox: Photonik-Sensornetzwerk

Die SenseBox ist ein Do-it-yourself-Bausatz für stationäre und mobile Sensoren, sie ist also eine kleine “DIY-Sensorstation”. Sie basiert auf der im Elektronikhandel oder im Internet erhältlichen Arduino-Mikrocontroller-Plattform mit verschiedenen Sensoren. Das besondere an dem Konzept: Dank der Sensoren können Bürgerinnen und Bürger sowie Schulen mit der SenseBox Umweltdaten über Klima, Luftqualität, Verkehrsaufkommen, Lärmbelästigung und vieles mehr positionsbezogen messen. Die gemessenen Daten können auf einer Karte im Internet, der OpenSenseMap, als Open Data sichtbar gemacht werden.

Das Projekt folgt den Prinzipien Open Science (Daten, Code, Anleitungen und Hardware sind mit offenen Lizenzen versehen) und Citizen Science: Bürgerinnen und Bürger oder Schulen können eigene Forschungsfragen stellen und Messnetze aufsetzen und dabei zu einer nationalen bzw. globalen Umweltdatenaufnahme beitragen.

Für die Idee, mit Hilfe eines entsprechenden Photonik-Upgrades ein umfassendes Citizen-Science Photonik-Sensornetzwerk aufzubauen, ist die „SenseBox Photonik“ als eine von drei Gewinnern aus dem Make Light-Wettbewerb 2014 des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) hervor gegangen. Dank des Upgrades mit einem „Digital Light Sensor“, einem „UV-Sensor“ und einer „RGB Status LED“ kann die SenseBox Photonik nun auch Beleuchtungsstärke, UV-Strahlung und Himmelsfarbe bzw. Wolkenbedeckung messen.

Die SenseBox ist ein Projekt des Forschungs- und Schülerlabors GI@School und wird durch das Institut für Geoinformatik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster unterstützt.

Informatik Enlightened: Arduino trifft Photonik

Die Grundidee dieses Projekts des Informatik Schülerlabors InfoSphere in Aachen ist es, Schülerinnen und Schülern ab der 8. Klasse die Grundlagen der Mikrocontroller-Programmierung anhand von einfachen Projekten übers „learning by doing“ selbst entdecken und erlernen zu lassen. Gleichzeitig erforschen die Jugendlichen so die spannende Welt der Technologien rund ums Licht. Das InfoSphere Team hat dazu ein komplettes didaktisches Konzept erstellt.

Ein Kernelement sind spezielle Photonik-Elektronik Kits, die vom InfoSphere-Team für Einsteiger-Workshops in mehreren Stationen rund ums Licht entworfen wurden. Diese Kits werden auch in mehrtägigen Feriencamps für Jugendliche verwendet. Nach dem erlernen der Grundlagen der Arduino-Programmierung bauen die Schülerinnen und Schüler der Klassenstufen 8 bis 10 in Teams danach ihre eigenen Photonik-Projekte „zur Verbesserung der Welt“. Zum Abschluss werden die Projekte vor Eltern und Freunden präsentiert.

Im Rahmen der Make Light-Initiative stellte das Bildungsministerium für Bildung und Forschung über 250 der Photonik-Elektronik Kits zur Verfügung, die vom InfoSphere-Team an Lernorten bzw. Schülerlaboren in ganz Deutschland verteilt wurden. Begleitend dazu hat das InfoSphere-Team Lehrerfortbildungen abgehalten.

Das „Informatik-Feriencamp für Weltverbesserer“ wurde Anfang Februar 2015 mit dem erstmalig vergebenen Code Week Award in der Kategorie von 10.000 Euro ausgezeichnet. Der Code Week Award ist ein Preis zur Förderung von digitalen Skills bei Kindern und Jugendlichen. Der Preis wird von der Technologiestiftung Berlin in Kooperation mit dem Design Research Lab der Universität der Künste Berlin ausgeschrieben und vergeben. Schirmherrin des Preises ist Prof. Dr. Gesche Joost. Sie engagiert sich als Internetbotschafterin der Bundesregierung und “Digital Champion” der Europäischen Kommission in Deutschland intensiv für die Förderung digitaler Kompetenzen.

EduFab: Vom Schüler zum Produzenten

Das EduFab-Projekt möchte Prozessketten und deren Produktionsschritte mit Hilfe von FabLab-Technologien für Kinder und Jugendliche „live vor Ort“ erlebbar machen. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Wissenschaftliche Vorprojekte (WiVoPro)“ über einen Zeitraum von zwei Jahren gefördert.

Im Rahmen des Projekts am Fachbereich Informatik (dimeb) der Universität Bremen soll zuerst die Entstehung eines digitalen Modells, ausgehend von einem realen Objekt (durch 3D-Scanner oder Konstruktionssoftware), vermittelt werden. Im Anschluss daran soll dieses digitale Modell mit Hilfe eines 3D-Druckers und/oder Lasercutters in einen realen Gegenstand überführt werden. Dadurch wird das Verständnis der ganzen Prozesskette vom Modellieren bis hin zur Produktion gefördert.

Der Lösungsansatz im EduFab-Projekt umfasst die Entwicklung eines EduFab-Kits, mit dem Schülerinnen und Schüler die FabLab-Umgebungen und deren Technologien konkret anhand von Beispielen erfahren können, die Konzeption einer Train-the-Trainer-Schulung für eine langfristige Verstetigung und die Erstellung eines Konzepts für Kreativ-Workshops. Eingebettet sind diese drei Bestandteile in ein übergeordnetes umfassendes didaktisches Konzept (inkl. Tools, Lehr- und Lernmaterialien, etc.).

Das Konzept wurde bereits in Workshops erprobt, beispielsweise am Girls‘ Day. Hier programmierten Mädchen der 7. und 8. Klasse ihren eigenen Schmuck, den sie anschließend mit dem Lasercutter ausschnitten. Für den Workshop zur Programmierung von Schmuck hat das FabLab Bremen, dass mit dem dimeb direkt zusammen arbeitet, den „Code Week Award 2015“ in der Kategorie von 5.000 Euro gewonnen.

LEGO© Photonics: Mit Licht auf einer Wellenlänge

Mit LEGO®-Steinen werden teure Photonik-Experimente mit Lasern und Optiken für den Physikunterricht erschwinglich. Und es macht auch noch Spaß, denn so lässt sich das Basiswissen der Physik anschaulich vermitteln und bleibt nicht nur bloße Theorie. Aus den LEGO®-Steinen lässt sich beispielsweise ein Michelson-Interferometer bauen, das die Bestimmung von Wellenlänge, Lichtgeschwindigkeit oder Brechungsindex mit verblüffender Genauigkeit ermöglicht.

Durch die kleinen bunten Steinchen werden die Kosten für den Aufbau im Vergleich zu den derzeit auf dem Markt verfügbaren Komponenten drastisch gesenkt. Die optischen Komponenten (also Spiegel, Linsen etc.) kosten etwa 42 Euro, die optomechanischen Komponenten (hier kommen die bunten Steinchen ins Spiel) stellen mit etwa 100 Euro den größten Kostenfaktor dar - insgesamt also etwa 142 Euro. Im Vergleich dazu kosten entsprechende Komponenten in professioneller Ausführung bis zu 20mal mehr (ca. 2800 Euro).

Weiteres Projekt von LEGO® Photonics ist eine Optische Pinzette. Mit dieser können Partikel mit Größen von weit unter 1 µm (1 Millimeter sind 1000 Mikrometer) bewegt und manipuliert werden. Durch die Fokussierung eines Laserstrahls ist es möglich, diese winzigen Teilchen zu fangen und an ihrer Position zu halten oder gar zu bewegen. Kernbestandteil eines solchen Aufbaus ist ein Mikroskop. Über eine Kamera und das gleiche Mikroskopobjektiv kann simultan die Bewegung der Partikel in Echtzeit studiert werden.

Die mit LEGO® Photonics machbaren Experimente sind ideal für den Physikunterricht in den Stufen 10, 11 und 12 geeignet. Aufbau, Justage und Durchführung der Experimente können während der Unterrichtsstunden von den Schülerinnen und Schülern selbst durchgeführt werden. Nach dem Konzept der freien Hardware (open source hardware) sind die Aufbauten offen zugänglichen, so das jeder mit den lizenzkostenfreien Bauplänen und normalen LEGO®-Steinen die Projekte nachbauen kann.

LEGO® Photonics ist ein Projekt von Prof. Dr. Mirco Imlau, Stefan Klompmaker und Felix Lager vom Fachbereich Physik (Ultrakurzzeitphysik) an der Universität Osnabrück. Das Projekt wird – wie die drei andern Projekte - vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Make Light-Initiative unterstützt.

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