Roboter bauen und programmieren mit CALLIOPE

CALLIOPE

GTA CALLIOPE - Ganztagsangebot ab Klasse 3, Oberschule, Gymnasium

Schon seit 2020 beschäftige ich mich mit »Calliope mini« in der Schule. Es begann in der Grundschule, wo ich Bundesfreiwilligendienst geleistet habe, und war wohl das erste Ganztagsangebot, welches während der Schulschließung online als Videokonferenz über LernSax durchgeführt wurde. Inzwischen bin ich jeden Tag in einer anderen Schule.

»Calliope mini« ist ein kleiner Computer, der in die Hände von Kindern gehört. Mit einer LED Matrix, Tasten und Sensoren ist Hardware on Board, die mit Batterie auch unterwegs funktioniert. Auf makecode.calliope.cc oder mit der App Calliope mini kann mit Blöcken oder mit Script programmiert werden. Das ist sogar ohne Calliope zu Hause möglich, weil die Editoren auf dem Bildschirm einen Simulator anzeigen.

Im Gegensatz zu den Education-Baukästen für den Unterricht kann jedes interessierte Kind einen eigenen CALLIOPE besitzen. Nur mit dem überspielten Programm und der Batteriebox (im Lieferumfang) gibt es schon viele Anwendungsbeispiele auf der offiziellen Webseite calliope.cc oder makecode.calliope.cc.

In der Schule sind CALLIOPE in ausreichender Stückzahl vorhanden. Zur Programmierung verwenden wir iPads mit der App Calliope mini und den Editor MakeCode. Es sind auch noch andere für den Unterricht geeignete Editoren vorhanden, aber nur MakeCode unterstützt Erweiterungen für angeschlossene Hardware.

In der Schule sind als Erweiterungen Calliope Baukästen oder Calli:bot 2 vorhanden. Die werden wir auch benutzen.

Ziel des GTA ist aber: technische Modelle zu bauen, die es in der Schule nicht gibt. Es können auch nicht alle Schüler das selbe bauen.

Als GTA-Leiter bringe ich das entsprechende Material mit. Mindestens 10 verschiedene »fischertechnik« Modelle können gleichzeitig gebaut werden. Außer den Baukästen, die viele Modelle enthalten, habe ich zusätzliche Bausätze für ein oder zwei Modelle nach Bedarf zusammen gestellt. Die Schülerinnen und Schüler finden nach Interesse und Erfahrung einfache und anspruchsvolle Modelle und können ohne Vorkenntnisse jederzeit anfangen.

Die einfachen Modelle sind ohne Elektronik, später kommen auch Zahnräder und Motoren dazu. Bei vielen Modellen kann optional ein Motor oder LED Beleuchtung angebaut werden.

Wenn es passt, können die »fischertechnik« Motoren, Servo und LEDs mit CALLIOPE gesteuert werden. Teilweise kommen dafür externe Elektronik Module zum Einsatz. Zum Beispiel kann der Kran mehrere Motoren haben, die alle mit einem zweiten CALLIOPE mit Joystick über Bluetooth ferngesteuert werden können. Am Kran hängt ein Elektromagnet und fahren und lenken kann er auch - ferngesteuert. Das Kranauto im Titelbild ist übrigens noch ohne Elektronik, es muss verdrahtet und programmiert werden.

Fahrplan programmieren und an CaR 4 oder Calli:bot 2 senden

CaR 4 CaR 4 Servo

Schon voll funktionstüchtig ist das große Fahrzeug. CALLIOPE (1.3) ist über den Hinterrädern eingebaut. Es heißt deshalb CaR 4 (Calliope auf Rädern Version 4). CaR 4 kann ferngesteuert werden, aber auch eine programmierte Strecke fahren und dabei auf Sensoren reagieren. Sensoren sind: Helligkeit (Fototransistor), Entfernung (Ultraschall), 2 Spursensoren (Infrarot), Encoder (Umdrehungen Motor), Spannung und Strom (I²C-Modul) und 2 Tasten. Aktoren sind: Relais, Motor (I²C-Modul), Servo (Lenkung), Licht, Hupe und natürlich das LCD-Display (I²C-Modul) mit 16x2 Zeichen.

An CaR 4 Geschwindigkeit, Lenkung und Strecke von einem zweiten Calliope über Bluetooth zu senden, ist eine leichte Aufgabe mit großer Wirkung. Benötigt wird nur ein CALLIOPE mit Batteriebox, ein iPad mit MakeCode in der App und die (von GitHub) geladene Erweiterung calliope-net/car4-sender. So kann jeder seinen eigenen Sender bauen. Auf den Start Knopf drücken sollte aber immer nur einer.
Fahrplan programmieren und an CaR 4 senden.

MakeCode Anfang Motor Minus

Die Erweiterung »CaR 4 Sender« (und viele andere) habe ich selbst programmiert und bei GitHub veröffentlicht. Mit den neuen Blöcken können Schülerinnen und Schüler sehr einfach 5 Teilstrecken programmieren, die ein Fahrzeug nach dem Senden dann abfahren soll.

Wenn in der Schule Calli:bot 2 vorhanden sind, kann jeder ein eigenes Fahrzeug in Bewegung versetzen.

Calliope mini V3

An den neuen (schwarzen) »Calliope mini V3« können zwei große Motoren (bis 9V) gleichzeitig angeschlossen werden. Sensationell ist aber, dass die 3V Stromversorgung des CALLIOPE V3 auch mit aus den 9V (oder 4,5V) gewonnen wird. So gelang es nach 100 Jahren, die Dampflock (Spur 0 mit eingebauter 4,5V Flachbatterie) einfach mit 4 Drähten (Batterie und Motor) in die Löcher vom CALLIOPE V3 zu stecken und fernzusteuern.

Hafenkran mit Dampflok

Am Hafenkran mit CALLIOPE V2 ist der Solar-Motor direkt angeschlossen und 2 weitere Motoren mit einem Qwiic Modul. Mit diesem I²C-Modul können alle in Schulen vorhandenen CALLIOPE auch Motoren steuern.

Elektronik Module

Wer programmieren will, ohne fahrende Roboter zu bauen, hat mit CALLIOPE unbegrenzte Möglichkeiten.

Ein neuer »fischertechnik« Baukasten enthält ein Uhrwerk mit Kurbelantrieb (im Titelbild rechts). Pro Umdrehung eine Stunde. Das hat mich motiviert, den Encodermotor mit CALLIOPE V3 einzusetzen. Der Encoder liefert 63,9 Impulse pro Umdrehung der Motorwelle, die CALLIOPE zählt und den Motor stoppt. Ich habe das komplette Uhrwerk neu erfunden (Bild unten) und CALLIOPE programmiert. Die mechanische Uhr zeigt jetzt die Zeit, bis der große Akku leer ist.
calliope-net/uhrwerk-63

Auch der Händetrockner aus dem Schul-Baukasten hat ein 4-Ziffern-Modul bekommen, das die Helligkeit der Lichtschranke anzeigt.

Elektronik Module

Für die anderen Elektronik-Module eignet sich »fischertechnik« hervorragend als Halterung. Die erzgebirgische Holz-Ampel wird mit einem GPIO Modul über I²C gesteuert. An den CALLIOPE ist auch ein 128x128 Pixel OLED Display angeschlossen, das auf Grafik und Bilder wartet. Will jemand ein Spiel programmieren?

Ein Servo Funktionsmodell mit I²C Qwiic Joystick, 4-Ziffern-Modul und Servo ist links zu sehen. Das PWM Signal für den Servo liefert CALLIOPE direkt, es ist nur eine externe Stromversorgung nötig.

Rechts ist ein CALLIOPE V2 auf ein Calli:bot 2E gebaut. Wenn ein anderes Programm aus dem FLASH geladen wird, kann der selbe CALLIOPE an die 26-polige Steckerleiste angeschlossene Module steuern. Wird eine (Modelleisenbahn-) Tastatur angeschlossen, kann über den Lautsprecher Orgel gespielt werden. Im Bild ist eine 7-Segment-Anzeige an die Pins angeschlossen. Diese Anzeige lässt sich aber auch ohne Löten mit dem oben gezeigten GPIO-Modul über I²C steuern.

In der Mitte ist das größte LCD Display 20x4 Zeichen und ein Keypad mit 12 Tasten einfach an den I²C Bus angesteckt. Mehrere I²C Module gleichzeitig können an jeden CALLIOPE - wie er aus der Verpackung kommt - an den linken Anschluss A0 gesteckt werden. In den Sommerferien habe ich für 15 verschiedene Module die I²C Erweiterungen für MakeCode programmiert. Die benötigten Blöcke können von GitHub geladen werden. Bezugsquellen sind auch angegeben:
calliope-net.github.io/i2c-liste

GTA heißt Angebot

Auf dieser Webseite sind alle Möglichkeiten erwähnt, die von mir angeboten werden können. Das beginnt mit dem ersten »fischertechnik« Modell nach Bauanleitung und geht bis zur Förderung älterer Schüler, die zu Hause auch programmieren oder Elektronik basteln und sich auf ein technisches Studium vorbereiten. Neben GTA stehe ich auch für Projekte oder Mitwirkung im Unterricht mit meinem gesamten Material und Wissen zur Verfügung.

Die Realität ist, dass ich nach 6 Unterrichtsstunden erschöpfte Schüler antreffe. In der Grundschule kommen sie immer wieder gern zum GTA. In der Oberschule blieb ich oft allein.

In der Situation ist es einfacher, mit den Händen Modelle zu bauen, als mit dem Kopf zu programmieren. Das Programmieren beschränkt sich oft auf Blöcke zusammen bauen nach gedruckten Bildern, lesen fällt schwer. Noch seltener kommt so ein Programm auch auf einem CALLIOPE an und wird benutzt.

Es sind die Mädchen, die überrascht sind, dass sie Bauanleitungen lesen und beim Programmieren eine Wirkung erzielen können. Ich kenne auch nur Mädchen, die sich einen CALLIOPE gewünscht haben und sich damit zu Hause beschäftigen. Es sind auch Mädchen, die mich fragen, wie etwas funktioniert. Es sind auch Mädchen, die von anderen Begeisterung spüren und sich nachträglich anmelden.

Schade, dass in manchen Schulen überhaupt keine Mädchen zum GTA CALLIOPE kommen. Das muss sich ändern. War da nicht der Plan, mehr Mädchen für MINT Berufe zu interessieren? Hier ist der Ort, wo das funktioniert.

Lutz Elßner
www.elssner.net

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