CO₂-Messung im Klassenzimmer

Worum geht es?

Gut belüftete Innenräume sind wichtig für das Wohlbefinden und die Gesundheit. Dies ist keine neue Erkenntnis, der Einfluss der Raumluft auf die Übertragung von Krankheiten rückt jedoch derzeit in Zusammenhang mit der SARS-CoV-2-Epidemie verstärkt in den Fokus. Um Infektionszahlen zu verringern, wurden daher in vielen Ländern Empfehlungen ausgesprochen, Innenräume regelmäßig zu lüften. Dabei wird häufig auch auf die Verwendung von CO₂-Messgeräten verwiesen, um schlechte Luftqualität frühzeitig zu erkennen. In dieser Unterrichtseinheit für die Sekundarstufe I entwickeln Schülerinnen und Schüler im Rahmen eines Physical-Computing-Projektes CO₂-Messgeräte für ihr Klassenzimmer und erwerben dabei Informatikkompetenzen aus den Bereichen Programmierung und Eingebettete Systeme.

Behandelte Konzepte der Informatik

Grundlegende Konzepte:

• Programmierung: Schleifen, Fallunterscheidungen, Vergleiche von Mess- und Schwellwerten
• Verarbeitung von Sensorwerten
• Ansteuerung von Aktoren
• analoge und digitale Daten
• Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe (Hardwarebestandteile und Programmierung)

Mögliche Vertiefung:

• Architektur eingebetteter Systeme
• Datenerfassung
• Echtzeitanforderungen
• Herausforderungen und Entwurfsmetriken

Ausführliche Beschreibung der Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtseinheit wird in der Ausgabe 195/196 der Zeitschrift Login ausführlich beschrieben und als Erfahrungsbericht im Blog der Projektschule Sek eins Höfe dokumentiert.

Die Unterrichtsreihe gliedert sich in drei Phasen: Zunächst werden in den ersten Lektionen die allgemeinen Grundlagen im Bereich Physical Computing geschaffen. Anschließend setzen sich die Schülerinnen und Schüler vertiefend mit der Messung der CO₂-Konzentration in der Luft sowie den technischen Aspekten der Entwicklung eigener CO₂-Messgeräte auseinander. Dies mündet dann in Projektarbeit, in der diese Geräte durch die Lernenden erstellt, programmiert und gestaltet werden. Im erprobten Szenario wurde die Unterrichtseinheit in neun Lektionen à 45 Minuten durchgeführt, wobei es sich jedoch empfiehlt, etwas mehr Zeit einzuplanen und wenn möglich, in Doppellektionen zu unterrichten (oder bereits gefestigtere Grundkenntnisse der Programmierung sowie im Umgang mit dem Computer vorauszusetzen).

Die Lektionen im Überblick:

• Lektion 1: Einführung, erster Einblick in Hardware und Software (Demo/Tutorial)
• Lektion 2 und 3: Stationenarbeit
• Lektion 4 und 5: CO₂-Messungen, Recherchearbeit, Kalibrierung von Geräten
• Lektion 6 und 7: Projektarbeit
• Lektion 8 und 9: Fertigstellung der Projekte (finales Kalibrieren, Testen, ggf. Korrigieren letzter Fehler), Abschlusspräsentationen

Technische Vorbereitungen und Unterrichtswerkzeuge

Benötigte Hardware:

• Luftqualitätssensor MQ135
• Arduino Uno (oder kompatibles Prototyping-Board)
• Seeed Studio Grove Starter Kit (oder vergleichbares Prototyping-Kit, z. B. TinkerKit)

Vorbereitung der Programmierumgebung:

• Download der Arduino-IDE (alternativ: Nutzung des Web-Editors im Browser)
• Download der modifiziertzen Firmata (Upload auf Arduino Uno über die Arduino-IDE bzw. den Web-Editor)
• Download von Snap4Arduino
• Download der Blockbibliothek (wird per Drag&Drop oder über Menü-Import in Snap4Arduino geladen)

Unterrichtsmaterialien

Alle Materialien wurden sowohl für die Verwendung von Grove-Prototyping Kits, als auch für die Verwendung von TinkerKit erstellt, wobei die TinkerKit-Variante für die Durchführung auch mit Grove-Bauteilen ergänzt wurde. Beide Datei-Versionen werden jeweils hier verlinkt:

• Anleitung (Grove | TinkerKit )
• Postenarbeit - alle Stationen (Grove | TinkerKit )
• Laufzettel (Grove | TinkerKit )
• Einführungspräsentation (Grove | TinkerKit )
• Arbeitsaufträge CO₂-Messung und Recherche
• Beispielprogramm zur CO₂-Messung (Datei per Drag&Drop oder über Menü-Import in Snap4Arduino laden)

Artikel in der Zeitschrift LOG IN 195/196

Weiterführende Links

• https://twitter.com/hashtag/CO2Ampel
• Beiträge im Blog der Projektschule Sek eins Höfe:
  • Physical Computing: Wir bauen uns ein CO2-Messgerät
  • 2. Lektion Physical Computing: Postenarbeit
  • Rückblick Physical Computing: Wir bauen uns ein CO2-Messgerät
• Datenblatt des verwendeten Sensors: HW Electronics: TECHNICAL DATA MQ-135 GASSENSOR
• Kursmaterial Digitale Welten: https://github.com/maprzybylla/DW-PhysiComp