1.4.1 Die technischen Hintergründe ausgewählter Themenbereiche (z.B. Datenspeicherung, Netzwerktechnik, Microcontroller, Sensorik) erklären
Unterrichtsmaterial zum Lernziel: Die Maturandinnen und Maturanden können die technischen Hintergründe ausgewählter Themenbereiche (z.B. Datenspeicherung, Netzwerktechnik, Microcontroller, Sensorik) erklären.
Logische Gatter und digitale Schaltungen
Das Unterrichtsmaterial führt in die Welt der digitalen Logik ein und behandelt gängige logische Gatter wie Inverter, AND, OR, XOR und NAND. Anhand praktischer Alltagsbeispiele und Aufgaben für die Simulationssoftware CircuitVerse lernen Schülerinnen und Schüler, Schaltungen zu analysieren, Wahrheitstabellen zu erstellen und eigene logische Entwürfe zu realisieren.
Werkstatt Mikrocontroller und Modelleisenbahn mit C++
Diese Unterrichtswerkstatt führt Schülerinnen und Schüler ohne Vorkenntnisse in die Mikrocontroller-Programmierung mit C++ und Arduino ein. Anhand von praktischen Projekten wie der Steuerung von Bauteilen und Modelleisenbahnen werden Grundlagen der Elektronik, Bedingungen, Funktionen und Sensorik vermittelt.
Einführung in die Assemblersprache mit dem Little Man Computer
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Assemblersprache ein und zeigt anhand des Little Man Computers (LMC), wie grundlegende Programmierkonzepte, Labels, Verzweigungen, Schleifen und Algorithmen auf Maschinennahmen-Ebene umgesetzt werden. Die Lernenden können praktische Programmieraufgaben direkt im Assembler lösen.
Wie funktioniert ein Pulsmesser? Grundlagen der Photoplethysmographie
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anschaulich das physikalische und technische Funktionsprinzip von optischen Pulsmessern in Smartwatches mittels Photoplethysmographie (PPG). Es beleuchtet den Einsatz von LEDs und Photodioden, die optischen Eigenschaften von Blut sowie typische Störfaktoren und Limitationen von Consumer-Geräten.
Photodioden: Wie Computer Licht sehen
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anschaulich die Funktionsweise von Photodioden und deren physikalische Grundlagen wie den photoelektrischen Effekt. Es zeigt konkrete Alltagsanwendungen, vergleicht verschiedene Lichtsensoren und beinhaltet einen Exkurs mit einem Arduino-Codebeispiel.
Abstraktion und Implementierung in der Systemtechnik
Dieses Unterrichtsmaterial führt in grundlegende Prinzipien des Systemdesigns ein, indem es die Konzepte der Abstraktion und Implementierung sowie den Ansatz von 'Divide and Conquer' (Modulbildung) an Hand alltagsnaher Beispiele wie Landkarten und Software erläutert.
Funktionsweise und Programmierung von Infrarot-Sensoren beim Maqueen-Roboter
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt detailliert die physikalischen und technischen Grundlagen von Infrarot-Lichtsensoren am Beispiel des Roboters Maqueen und des micro:bit. Es behandelt die digitale Signalverarbeitung, die Halbleiterphysik von Fototransistoren sowie konkrete Codebeispiele in Python.
Löt-Anleitung Leuchtkäfer
Eine praktische Anleitung zum Zusammenlöten und Bestücken einer elektronischen Schaltung in Form eines Leuchtkäfers. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei grundlegende elektronische Bauteile wie Widerstände, Transistoren, LEDs und Fotowiderstände kennen und praktisch anzuwenden.
Syntax, Semantik und Sprachstufen von Programmiersprachen
Der Text erklärt die grundlegenden Konzepte von Syntax und Semantik in der Programmierung. Anschliessend werden die verschiedenen Sprachstufen von Maschinensprache über Assembler bis hin zu Hochsprachen sowie kompilierten und interpretierten Sprachen gegenübergestellt.
Rechnerarchitektur und Von-Neumann-Rechner
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt fundierte Konzepte der Technischen Informatik wie Turingmaschinen, den Aufbau und die Funktionsweise des Von-Neumann-Rechners, logische Schaltungen sowie Assembler-Programmierung mit LMC. Es richtet sich an fortgeschrittene Lerngruppen im Schwerpunktfach oder im Grundlagenfach.
Multiplikationschips
Dieses Unterrichtsmaterial für das Gymnasium behandelt den Entwurf einer kombinatorischen Schaltung zur Multiplikation binärer Zahlen ohne Vorzeichen. Die Schüler lernen die Methode der partiellen Produkte kennen und erarbeiten sich die Grundlagen für die Realisierung von Multiplikationsschaltungen in der Hardware.
Bits Speichern: Rückkopplung, Flip-Flops und Speicher
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt die Funktionsweise von Rückkopplungsschaltungen in der digitalen Logik, ausgehend von Einbruchsalarm-Beispielen hin zu SR-Flip-Flops und dem Bau von Speichern und Demultiplexern. Anhand interaktiver Aufgaben im Simulator CircuitVerse lernen die Schülerinnen und Schüler, wie Bits und Bytes hardwaretechnisch gespeichert und adressiert werden.
Grundlagen Elektronik und Stromkreise
Dieses Unterrichtsmaterial vermittelt die physikalischen und technischen Grundlagen von elektronischen Stromkreisen, ohmschen Widerständen, digitalen Schaltungen und Leuchtdioden. Es enthält kurze Erklärungen zu Komponenten wie Steckplatinen und Berechnungsbeispiele für Vorwiderstände inklusive praktischer Aufgaben.
Ansteuerung einer Siebensegmentanzeige mit dem micro:bit
Dieses Unterrichtsmaterial zeigt, wie eine Siebensegmentanzeige physisch mit einem micro:bit verbunden wird. Die Schülerinnen und Schüler schreiben anschliessend ein Programm, um die Ziffern 0 bis 9 nacheinander auf der Anzeige auszugeben.
Schieberegister mit micro:bit
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Funktionsweise von Schieberegistern (am Beispiel des 74HC595) und wie sie in Kombination mit einem micro:bit zur Steuerung von Segmentanzeigen eingesetzt werden. Anhand praktischer Aufgaben lernen die Lernenden, Schaltungen aufzubauen und Programme für die Ansteuerung von ein oder zwei Schieberegistern zu entwickeln.
LED-Matrix und Schieberegister mit micro:bit
Das Unterrichtsmaterial erklärt den Aufbau und die Ansteuerung einer LED-Matrix mithilfe eines Schieberegisters und eines micro:bit. Es verbindet theoretische Grundlagen zur Hardware-Schaltung mit einer praktischen Programmieraufgabe in Python.
Der micro:bit Beschleunigungssensor in Python
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Funktionsweise und Programmierung des Beschleunigungssensors des micro:bit in Python. Anhand von Codebeispielen wie einer Gestenerkennung und einem einfachen Schrittzähler wird die praktische Anwendung demonstriert.
Digitale Ein- und Ausgabe mit dem micro:bit
Das Unterrichtsmaterial erklärt die Funktionsweise und Programmierung der physischen Anschlüsse des micro:bit in Python. Es zeigt anhand von Codebeispielen, wie digitale Ein- und Ausgaben sowie Touch-Tasten angesteuert werden.
XOR-Gatter und Logische Schaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial führt in das XOR-Gatter, Wahrheitstabellen und logische Schaltungen ein. Anhand praxisnaher Beispiele und praktischer Entwurfsaufgaben mit einem Simulator werden Boolesche Verknüpfungen geübt und analysiert.
NAND-Gatter und universelle Logikschaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt die Funktionsweise und Wahrheitstabelle von NAND-Gattern sowie deren Eigenschaft als Universalgatter. Anhand von Aufgaben und Schaltungssimulationen lernen die Lernenden, wie logische Grundschaltungen (Inverter, AND, OR, XOR) ausschliesslich aus NAND-Gattern aufgebaut werden können.
Addierer
Das Material behandelt die binäre Addition und zeigt Schritt für Schritt, wie Halbaddierer, Volladdierer und schliesslich ein 4-Bit-Addierer mithilfe von Logikgattern und der Simulationssoftware CircuitVerse aufgebaut werden.
Speicher und Rückkopplung in digitalen Schaltungen
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anhand von Einbruchsalarm-Beispielen und logischen Gattern, wie durch Rückkopplung (Feedback) Informationen in Schaltungen gespeichert werden können. Die Lernenden experimentieren interaktiv mit Feedback-Schaltungen, Reset-Knöpfen und dem SR- bzw. D-Flip-Flop in CircuitVerse.
Modellrechner MOPS
Dieses Unterrichtsmaterial führt in den Modellrechner MOPS ein, der einen einfachen Computer auf der Stufe von Assemblersprache und Befehlssatz simuliert. Anhand praktischer Programmieraufgaben lernen die Schülerinnen und Schüler, grundlegende Algorithmen und Befehlssequenzen zu entwickeln und auszuführen.
Hardware-Workshop
Ein praktischer Workshop für den Informatikunterricht, in dem Schülerinnen und Schüler an verschiedenen Stationen physische Computerkomponenten wie Festplatten, Arbeitsspeicher und Grafikkarten ein- und ausbauen sowie im BIOS überprüfen.
Einführung in CircuitVerse und Logikgatter
Dieses Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler Schritt für Schritt in die Nutzung der Online-Plattform CircuitVerse ein. Es erklärt die grundlegende Handhabung von Ein- und Ausgabeelementen, Verbindungen und der Projektverwaltung für den Entwurf digitaler Schaltungen.
Praktische Übungen zu Grafikbearbeitung, Vektorisierung und Fotografie
Dieses Unterrichtsmaterial enthält praktische Übungen zur Bildbearbeitung mit GIMP, der Vektorisierung von Bildern mit Inkscape, der Erstellung eigener Schriftarten mit Glyphr Studio sowie grundlegenden fotografischen Techniken und Kameraeinstellungen.
Sensorik und Datenerfassung mit AHT21 und ENS160 in Python
Das Unterrichtsmaterial leitet Lernende dazu an, Informationen zu den Umweltsensoren AHT21 und ENS160 zu recherchieren und diese mittels Microcontroller in Python über die I2C-Schnittstelle auszulesen. Dabei werden permanente Abfragen implementiert und Daten auf der Konsole sowie einem Display ausgegeben.
Einführung in den 3D-Druck mit OpenSCAD und Prusa Slicer
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die grundlegenden Prinzipien und den Ablauf des schichtweisen 3D-Drucks ein. Es stellt die Open-Source-Werkzeuge OpenSCAD zur Erstellung von 3D-Modellen und Prusa Slicer für den Druck-Ablaufplan vor und verweist auf das konkrete Schulmodell.
Anleitung Prusa Slicer und 3D-Druck
Dieses Unterrichtsmaterial beschreibt Schritt für Schritt, wie ein 3D-Modell im STL-Format mithilfe des Prusa Slicers für den 3D-Druck vorbereitet und geslicet wird. Die Lernenden erhalten konkrete Vorgaben zu den Druckeinstellungen, Materialien und dem Export der G-Code-Datei.
Rechnerarchitektur: Von-Neumann- und Harvard-Architektur
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Grundlagen der Rechnerarchitektur mit Fokus auf die Von-Neumann-Architektur und die Harvard-Architektur. Es behandelt die Hauptkomponenten eines Computers, Bus-Systeme, den Von-Neumann-Zyklus sowie die Hintergründe der Befehls- und Datenverarbeitung.
Hardware-Produkte: Multiplikationseinheit
Dieses Unterrichtsmaterial lässt Schülerinnen und Schüler in Form eines praktischen Werkstattpostens eine einfache Multiplikationseinheit hardwaremässig realisieren. Der Fokus liegt auf der Verknüpfung von theoretischem Wissen über Schaltungen mit der realen elektrotechnischen Umsetzung.
Lösungen zu logischen Gattern und Schaltungen
Dieses Material enthält ausführliche Musterlösungen zu Aufgaben rund um logische Gatter (Inverter, AND, OR, XOR, NAND), Wahrheitstabellen, Schaltungsanalysen sowie die binäre Addition und Addierer.
micro:bit Magnetometer und Kompass in Python
Dieses Unterrichtsmaterial beschreibt die Verwendung des Magnetometers des micro:bit in Python. Es werden typische magnetische Flussdichten sowie Programmierbefehle zur Kalibrierung und zum Auslesen der Sensorwerte erläutert.
Analoge Ein- und Ausgabe mit dem micro:bit
Diese Dokumentation erklärt die Verwendung der analogen Pins des micro:bit für die Ein- und Ausgabe in Python. Es wird auf die Funktionsweise der analogen Signale sowie auf mögliche Konflikte mit dem LED-Display eingegangen.
Mooresches Gesetz
Der Text erklärt das Mooresche Gesetz von 1965, welches die regelmässige Verdopplung der Transistorenanzahl auf Computerchips beschreibt. Anhand detaillierter Tabellen von Intel-, AMD- und Apple-Prozessoren wird diese historische und technologische Entwicklung veranschaulicht.
Digitale Schaltungen und Wahrheitstabellen
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Grundlagen digitaler Schaltungen, Ein- und Ausgabegeräte sowie die Verwendung von Wahrheitstabellen ein. Anhand einfacher Beispiele wie einer Türklingel oder einem Feueralarm werden Grundprinzipien der Logik und Schaltungstechnik veranschaulicht.
CircuitVerse: Einführung und erste Schritte
Diese Anleitung führt Lernende Schritt für Schritt in die Nutzung der Online-Plattform CircuitVerse ein. Es werden die Erstellung eines Benutzerkontos, die Verwendung von Ein- und Ausgabeelementen, das Erstellen von Verbindungen sowie das Speichern von Projekten anhand konkreter Aufgaben erläutert.
Moore'sches Gesetz
Der Text erklärt das Moore'sche Gesetz von 1965 und illustriert die Entwicklung anhand historischer Transistorzahlen von Intel-, AMD- und Apple-Prozessoren. Es dient als kurze theoretische Grundlage zur Leistungsentwicklung von Computerchips.
MicroPython Firmware für ESP8266 selbst kompilieren und flashen
Diese Anleitung beschreibt Schritt für Schritt, wie man MicroPython-Firmware für den ESP8266-Mikrocontroller auf einem Linux/WSL-System kompiliert, eigene Module hinzufügt und auf das Board flasht. Sie richtet sich an fortgeschrittene Projekte im Bereich der physischen Computing-Umgebungen.
IoT Workshop 2023 - Sensorbox mit MicroPython
Eine kurze Anleitung im Rahmen eines IoT-Workshops, in der Code-Teile zusammengefügt werden, um Sensordaten mittels MicroPython an einen Node-RED-Server zu senden.
ESP 8266 Löten und Zusammenbauen
Eine praktische Anleitung zum Löten und Zusammenbauen eines ESP 8266 Mikrocontrollers inklusive Pinbelegung und Testschritten.
Einführung in den 3D-Druck und CAD mit OpenSCAD und Prusa Slicer
Das Material führt in die Grundlagen des 3D-Drucks ein und erklärt den Prozess vom digitalen 3D-Modell über das Slicing bis zum physischen Druck. Dabei werden die Werkzeuge OpenSCAD und Prusa Slicer vorgestellt sowie der schichtweise Aufbau von Objekten erläutert.