Modellauto bauen und mit Arduino programmieren

Praxisorientierter MINT-Workshop für Schulklassen

Wie wird aus einer Idee ein fahrfähiges Roboterauto? Wie steuert ein Mikrocontroller Motoren, Sensoren und LEDs? Und welche Möglichkeiten und Grenzen hat eine kleine Solarzelle als Energiequelle?

In unserem Workshop „Robotik trifft Solarenergie“ entwickeln Schüler*innen Schritt für Schritt ein eigenes Modellfahrzeug. Dabei verbinden sie handwerkliches Arbeiten mit Programmierung, Elektronik und erneuerbaren Energien.

Das Angebot eignet sich besonders für den Unterricht und für schulische Projekte in den Bereichen Informatik, Physik, Mathematik, Naturwissenschaften, Technik und Wirtschaft-Arbeit-Technik. Es kann als einzelner Workshop, Projekttag, regelmäßige Schul-AG, Projektwoche oder Ferienprogramm durchgeführt werden.

Für welche Klassen eignet sich der Workshop?

Das Angebot richtet sich vorrangig an Schüler*innen der Klassen 5 bis 10. Eine vereinfachte Version ist bereits ab Klasse 4 möglich.

Die Aufgaben werden an Alter, Lernstand und Vorkenntnisse der Gruppe angepasst:

Klassen 4 bis 6

In dieser Altersgruppe stehen das Bauen, Ausprobieren und Verstehen einfacher technischer Zusammenhänge im Mittelpunkt. Die Schüler*innen lernen die wichtigsten Komponenten eines Modellautos kennen und führen erste einfache Programmieraufgaben aus.

Klassen 7 und 8

Die Schüler*innen arbeiten selbstständiger mit Motoren, Sensoren, LEDs und dem Arduino Uno. Sie verändern Programme, untersuchen Fehler und testen unterschiedliche technische Lösungen.

Klassen 9 und 10

Für ältere Schüler*innen können anspruchsvollere Aufgaben integriert werden. Dazu gehören Messungen, die Auswertung von Sensordaten, komplexere Steuerungsabläufe, die Optimierung des Energieverbrauchs und die Dokumentation des Entwicklungsprozesses.

Was bauen die Schüler*innen?

Die Teilnehmenden entwickeln in kleinen Teams ein fahrfähiges Modellauto. Je nach Workshopformat besteht die Fahrzeugkonstruktion aus Recyclingkarton, Holz, 3D-gedruckten Komponenten oder einer Kombination dieser Materialien.

Zum technischen Aufbau können gehören:

• Fahrzeugrahmen und Karosserie
• Räder und Achsen
• kleine Gleichstrommotoren
• Motorsteuerungsmodul
• Arduino Uno
• Ultraschall- oder Abstandssensor
• LEDs und Signalelemente
• Kabel und Steckverbindungen
• Infrarotempfänger und Fernbedienung
• kleine Solarzelle
• ergänzende Stromversorgung für zuverlässige Tests

Die Schüler*innen lernen dabei, dass ein Arduino die Motoren nicht direkt mit ausreichend Strom versorgen kann. Deshalb wird zwischen dem Mikrocontroller, der die Befehle verarbeitet, und der Motorsteuerung, die den Antrieb regelt, unterschieden.

Modul 1: Ein eigenes Modellauto konstruieren

Zunächst planen die Schüler*innen ihr Fahrzeug. Sie überlegen, wie groß und schwer es werden soll und wo Motoren, Räder, Sensoren und Solarzelle angebracht werden können.

Anschließend bauen sie das Modell und prüfen:

• Sind die Achsen gerade ausgerichtet?
• Können sich die Räder frei drehen?
• Ist das Fahrzeug stabil?
• Ist das Gewicht gleichmäßig verteilt?
• Sind die elektronischen Bauteile sicher befestigt?
• Erreicht ausreichend Licht die Solarzelle?

Die Schüler*innen erfahren unmittelbar, dass auch kleine Konstruktionsfehler die Funktion des Fahrzeugs beeinflussen können.

Modul 2: Elektronik und Stromkreis verstehen

Bevor programmiert wird, lernen die Teilnehmenden die wichtigsten elektronischen Bauteile kennen. Sie verbinden Kabel, Motoren, LEDs, Sensoren und Steuerungsmodule zu einem einfachen Stromkreis.

Dabei werden grundlegende Fragen behandelt:

• Was ist elektrische Spannung?
• Wie fließt Strom durch einen Stromkreis?
• Warum müssen Plus- und Minuspol richtig verbunden werden?
• Welche Aufgabe übernimmt der Mikrocontroller?
• Warum benötigt der Motor eine eigene Steuerung?
• Wie kann man elektronische Bauteile vor falscher Verkabelung schützen?

Je nach Altersstufe können Spannung und Stromstärke mit einem Multimeter gemessen und miteinander verglichen werden.

Modul 3: Programmieren mit Arduino Uno

Mit der Arduino-Software schreiben oder verändern die Schüler*innen erste Programme. Sie lernen den grundsätzlichen Aufbau eines Programms kennen und übertragen den Code auf den Mikrocontroller.

Mögliche Programmieraufgaben sind:

• eine LED ein- und ausschalten
• zwei Motoren starten und stoppen
• vorwärts- und rückwärtsfahren
• die Fahrtrichtung verändern
• unterschiedliche Geschwindigkeiten einstellen
• Sensordaten auslesen
• bei einem Hindernis anhalten
• eine Ausweichbewegung programmieren

Ältere Schüler*innen arbeiten zusätzlich mit Variablen, Bedingungen und wiederkehrenden Programmabschnitten. Sie lernen beispielsweise, wie eine Wenn-Dann-Bedingung funktioniert: Wenn der Sensor ein Hindernis erkennt, hält das Fahrzeug an oder ändert seine Richtung.

Modul 4: Solarenergie untersuchen

Eine kleine Solarzelle wird in das Fahrzeugkonzept integriert. Die Schüler*innen untersuchen, wie Licht in elektrische Energie umgewandelt wird und welche Faktoren die Leistung beeinflussen.

Mögliche Versuche:

• Solarzelle unterschiedlich zum Licht ausrichten
• Spannung bei verschiedenen Lichtverhältnissen messen
• direkte und indirekte Beleuchtung vergleichen
• Einfluss von Schatten untersuchen
• Energiebedarf von Motoren und LEDs vergleichen
• Fahrzeuggewicht und Energieverbrauch beobachten
• geeignete Position für die Solarzelle bestimmen

Eine kleine Solarzelle liefert nicht unter allen Bedingungen genügend Energie, um gleichzeitig Motoren, Sensoren und Mikrocontroller zuverlässig zu betreiben. Deshalb kann bei Innenraumexperimenten oder komplexeren Programmieraufgaben eine ergänzende Stromversorgung verwendet werden. Die Schüler*innen lernen dadurch realistisch, dass Energieerzeugung, Energiebedarf und verfügbare Leistung aufeinander abgestimmt werden müssen.

Modul 5: Fernsteuerung programmieren

In der erweiterten Variante erhält das Fahrzeug eine Infrarotsteuerung. Die Schüler*innen ordnen den Tasten einer Fernbedienung bestimmte Befehle zu.

Sie programmieren beispielsweise:

• Start und Stopp
• Vorwärts- und Rückwärtsfahrt
• Links- und Rechtssteuerung
• Lichtsignale
• Änderung der Geschwindigkeit

Dabei erkennen sie, wie ein Eingangssignal empfangen, vom Arduino verarbeitet und anschließend als Bewegungsbefehl ausgegeben wird.

Modul 6: Intelligente Steuerung und Hinderniserkennung

Ein Ultraschall- oder Abstandssensor ermittelt, ob sich ein Hindernis vor dem Fahrzeug befindet. Die Schüler*innen programmieren Entscheidungsregeln, mit denen das Fahrzeug auf seine Umgebung reagiert.

Ein möglicher Ablauf:

1. Der Sensor misst die Entfernung.
2. Der Arduino verarbeitet den Messwert.
3. Das Programm vergleicht den Wert mit einer festgelegten Mindestentfernung.
4. Das Fahrzeug hält an.
5. Anschließend fährt es zurück oder ändert seine Richtung.

Diese Form der Steuerung gehört zur Robotik und Automatisierung. Sie vermittelt wichtige Grundlagen für spätere Anwendungen künstlicher Intelligenz.

Eine echte KI-Integration, bei der ein System Daten auswertet oder aus Beispielen lernt, kann als weiterführendes Angebot entwickelt werden. Dafür sind mehr Zeit, entsprechende Technik und gute Programmierkenntnisse erforderlich.

Modul 7: Bauteile mit 3D-Druck herstellen

Bei mehrtägigen Projekten können die Schüler*innen einzelne Fahrzeugteile am Computer gestalten. Dazu können Halterungen, Räder, Sensorgehäuse oder Verbindungselemente gehören.

Die Teilnehmenden lernen:

• ein einfaches digitales Modell zu entwickeln
• Maße korrekt zu übertragen
• ein Modell für den 3D-Druck vorzubereiten
• Material und Druckzeit einzuschätzen
• ein gedrucktes Bauteil am Fahrzeug zu testen
• das Modell nach einem Test zu verändern

Der 3D-Druck eignet sich besonders für eine Schul-AG, Projektwoche oder ein mehrtägiges Ferienprogramm.

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So arbeiten die Schüler*innen

Die Teilnehmenden arbeiten in kleinen Teams. Innerhalb der Gruppen können unterschiedliche Aufgaben verteilt werden:

• Planung und Gestaltung
• Konstruktion des Fahrzeugs
• Aufbau der Elektronik
• Programmierung
• Durchführung von Messungen
• Dokumentation
• Präsentation des Ergebnisses

Dadurch können sich Schüler*innen mit unterschiedlichen Interessen und Fähigkeiten beteiligen. Nicht jede Person muss bereits programmieren können. Einige Jugendliche beginnen bei der Gestaltung oder Konstruktion und entwickeln anschließend Interesse an Elektronik und Informatik.

Fehler werden im Workshop als Teil des Entwicklungsprozesses betrachtet. Wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt, untersuchen die Schüler*innen systematisch mögliche Ursachen: Ist ein Kabel falsch angeschlossen? Erhält der Motor ausreichend Strom? Drehen sich die Räder frei? Wurde der Code korrekt übertragen?

Pädagogische und fachliche Lernziele

Der Workshop fördert:

• technisches Verständnis
• logisches und strukturiertes Denken
• erste oder vertiefende Programmierkenntnisse
• Verständnis für Stromkreise und Energieversorgung
• Kenntnisse über Solarenergie und Energiebedarf
• mathematisches Denken und Arbeiten mit Messwerten
• räumliches Vorstellungsvermögen
• Problemlösungskompetenz
• Teamarbeit und Kommunikation
• Kreativität und selbstständiges Arbeiten
• nachhaltigen Umgang mit Materialien
• Interesse an technischen Berufen und MINT-Fächern

Besonderen Wert legen wir darauf, Mädchen und Schüler*innen, die bisher wenig Zugang zu technischen Angeboten hatten, aktiv einzubeziehen.

Verbindung zum Unterricht

Der Workshop kann an verschiedene Unterrichtsthemen angeknüpft werden:

Physik: Stromkreis, Spannung, Stromstärke, Energie und Bewegung
Informatik: Algorithmen, Variablen, Bedingungen und Fehlersuche
Mathematik: Maße, Geschwindigkeit, Entfernung und Auswertung von Messwerten
Technik: Konstruktion, Antrieb, Sensorik und Steuerung
WAT: Planung, Herstellung, Arbeitsteilung und Berufsorientierung
Nachhaltigkeit: Solarenergie, Ressourcenverbrauch, Recycling und technische Lösungen für die Energiewende

Auf Wunsch stimmen wir die Aufgaben vorab mit der zuständigen Lehrkraft ab.

Formate für Schulen

Kompakter Schulworkshop

Dauer: mindestens drei Unterrichtsstunden
Inhalt: ein ausgewähltes Modul, beispielsweise Fahrzeugbau, Arduino-Grundlagen oder Sensorsteuerung

Projekttag

Dauer: fünf bis sechs Unterrichtsstunden
Inhalt: ein Schwerpunktthema mit praktischer Bau- und Testphase

Regelmäßige Schul-AG

Dauer: 90 bis 120 Minuten pro Woche über sechs bis zehn Wochen
Inhalt: schrittweiser Aufbau eines funktionsfähigen Fahrzeugs mit Programmierung und Abschlusspräsentation

Projektwoche

Dauer: drei bis fünf Tage
Inhalt: Kombination aus Konstruktion, Elektronik, Arduino, Solarenergie, Fernsteuerung und 3D-Druck

Ferienprogramm

Dauer: ein bis fünf Tage
Inhalt: altersgerechtes Robotikprojekt mit gemeinsamer Präsentation am Ende des Programms

Durchführung und Ausstattung

Der Workshop kann in unseren Räumen bei New Hope and Light e. V. oder nach Absprache direkt an Ihrer Schule stattfinden.

Für eine Durchführung in der Schule benötigen wir in der Regel:

• einen ausreichend großen Klassen- oder Werkstattraum
• Gruppentische
• Stromanschlüsse
• eine Präsentationsmöglichkeit oder einen Beamer
• ausreichend Zeit für Aufbau und Abbau

Materialien, elektronische Komponenten, Experimentierausstattung und Werkzeuge bringen wir nach vorheriger Absprache mit.

Gruppengröße, Betreuungsschlüssel und benötigte Ausstattung werden an das gebuchte Modul angepasst.

Abschluss und Dokumentation

Je nach Format erhalten die Schüler*innen:

• ein selbst gebautes Fahrzeugmodell
• selbst erstellte oder veränderte Arduino-Programme
• Ergebnisse aus ihren Messungen und Versuchen
• eine Projekt- oder Fotodokumentation
• auf Wunsch eine Teilnahmebestätigung

Bei einer Projektwoche oder AG kann das Angebot mit einer Ausstellung, Fahrzeugpräsentation oder einem kleinen Abschlussparcours beendet werden.

Über New Hope and Light e. V.

New Hope and Light e. V. ist ein gemeinnütziger und anerkannter Träger der freien Jugendhilfe sowie ein AZAV-zugelassener Bildungsträger, geprüft durch DEKRA.

Für unsere Bildungsarbeit wurden wir mit dem Nationalen Preis – Bildung für nachhaltige Entwicklung 2023 ausgezeichnet.

Unsere Arbeit verbindet Kinder- und Jugendhilfe mit Bildung für nachhaltige Entwicklung, MINT, erneuerbaren Energien, Medienbildung, handwerklicher Praxis und interkulturellem Lernen.

Workshop anfragen

Gerne entwickeln wir gemeinsam mit Ihnen ein Angebot, das zu Ihrer Klassenstufe, Ihrem Unterrichtsthema und Ihrem zeitlichen Rahmen passt.

New Hope and Light e. V.
Berlin Global Village
Am Sudhaus 2
12053 Berlin

Telefon: 030 54 83 34 76
E-Mail: moc.thgildnaepohwen@ofni
Web: www.newhopeandlight.com

Kosten: nach Format, Dauer, Gruppengröße, Materialbedarf und Veranstaltungsort.