MEXLE?

MEXLE steht für Multimodale EXperimentier- und LErnumgebung.
MEXLE soll alle MINT-Interessierte im Lernen unterstützen.
Auf verschiedenen Wegen soll das selbstständige und selbstwirksame Lernen angeregt werden.
Ein Teil davon ist dieses Wiki.

in Kürze etwas mehr Details Hardwarekonzept MEXLE Historie Förderungen

In Kürze

Leitsatz

Stelle Dir eine Welt vor in der jeder frei MINT lernen kann.

- frei nach Jimmy Wales (Wikipedia Gründer)

Vision


Wir sind überzeugt davon, dass die Zukunft eigenständige und kreative Denker und Gestalter braucht. Dafür ist MI(N)Treißende Bildung ein wichtiger Baustein.

Unsere Vision für ein MINT-Bildung 2030 wird durch drei Bausteine getragen:

Motivation und Förderung

  • spielerisch
  • flexibel
  • Feedback-gebend
Lerne realitätsnahe was dich interessiert.

Selbstbestimmung und Struktur

  • zeitsouverän
  • ortsunabhängig
  • auffindbar
Lerne wann und wo du willst.
 

Offenheit und Diskretion

  • Open Educational ResSource
  • Community-getrieben
  • freundliche Lernumgebung
Lerne andere beim Lernen zu helfen.

Diese Vision braucht eine Komponentenplattform, welche ausgerichtet ist auf projektbasiertem Lernen, auf Motivation statt Noten, auf praktische Erfahrung und auf einem selbst gewähltem Weg des Lernens. Daneben wird auch nach Corona die Digitalisierung fortschreiten und den Wissenserwerb weiter von Zeit und Ort trennen. Das MEXLE-System bereitet die Hochschullehre auf diese Punkte vor.

Zielgruppe


Die Zielgruppe für MEXLE 2020 sind

  • MINT-Lernende
    • Schüler der Sekundarstufe II (Gymnasien, Berufsfach- und -oberschulen, Duale Ausbildung)
    • Studenten in MINT-Fächern
  • Multiplikatoren
    • Lehrer und Professoren der obengenannten Bereiche
    • Schülerlabore
    • Makerspaces

etwas mehr Details

Was steckt dahinter?

Ob ein (Weiter)bildungssystem im Jahr 2050 angesichts der Digitalisierung für alle Elemente des Lernens noch Lehrer, Professoren und Gebäude benötigt, ist angesichts der Digitalisierung nicht abzusehen. Lernen durch ein Be„greifen“ von Komponenten wird aber auch in Zukunft in den MINT Fächern noch wichtig sein

Der MEXLE Ansatz hierbei soll den lernenden und den begleitenden Partner zur schöpferischen Mitarbeit aktivieren. Ein Baukasten aus Code, elektronischen und mechanischen Module, sowie Lern- und Basteleinheiten soll Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik begreifbar machen.

Die Module sind leicht über einen Modulträger miteinander verknüpfbar. Dieser ermöglicht Energieversorgung und Datenaustausch.

Module können direkt auf den Modulträger gesteckt werden oder als Hook-up auf andere Module. Module können verschiedene Funktionen beinhalten (Sensor, Aktor, Verarbeitung in einem Microcontroller).

Status Quo


In den letzten 5 Semestern wurde mit den Studierenden des Studiengangs „Mechatronik und Robotik“ die elektronische Umsetzung verfeinert. Die Studierenden konnten ein Projektziel frei definieren. Einzige Randbedingung war, dass das Projekt mit einem Microcontroller und Elektronik umgesetzt wird. Nach einer Einführung in Microcontrollertechnik und Platinen-Entwicklung wurden die Team nach Bedarf gecoacht.

mexle2020_sensoraktorhookup_sketch.jpg
mexle2020_sensoraktor_sketch.jpg

Dadurch wurden diverse Konzepte und Komponenten entwickelt:

  • Pulsoximeter (Sauerstoffsättigungsmessgerät)
  • verschiedene Motorsteuerungen für Kleinstfahrzeuge
  • Gewächshausüberwachung mit „Gesundheitsanzeige“ der Pflanzen
  • unterschiedliche Spielekonsolen-Klassiker
  • Analyseboard für Muskel- und Gehirnströme
  • ein Kartenbezahlsystem auf RFID-Basis
  • verschiedene Akustik-Filter
  • Ansteuerung von bionischen Händen
  • Bluetooth und WLAN Anbindung

mexle2020_328_sketch.jpg

Der verwendete Microcontrollertyp, welcher als „digitales Gehirn“ verwendet wird, ist aus anderen Plattformen wie Android bekannt: Die ATMEL ATMega-Reihe. Diese ermöglicht einen einfachen Einstieg und Kompatibilität. MEXLE ist auch mit der bekannten Arduino-Software programmierbar.

mexle2020_widerstand_sketch.jpg

Im Gegensatz zu den bisherigen Plattformen deckt MEXLE den Bereich von einfachen Widerständen bis zu komplexen Sensormodulen als steckbare Module ab. Das vereinfacht die Konzeptionierung, vermeidet Wackelkontakte und ermöglicht ein „One-Size-Fits-All“ System.


Was ist noch zu tun?


Sehr viel!

Konzeption des
Lab-in-a-Box Koffers




45%

Aus den vorhandenen Modulen muss ein sinnvolles und getestetes Set erstellt werden. Dieses soll erschwinglich und kompakt sein. Außerdem soll es bereits verschiedene Experimente ermöglichen. Zusätzlich werden verschiedene Messgeräte benötigt. Aktuell ist ein Hand-„Universal“-Messgerät in Entwicklung. Ein Funktionsgenerator und diverse Sensoren sind prototypisch vorhanden. Eine Erweiterung für logische Schaltungen muss noch entwickelt werden. Für mechanische Systeme existiert eine Anbindung, aber auch hier bietet sich eine erneute Konzeptphase an.

Online-Plattform
und Lernprojekte




20%

Aktuell sind auf diesem Wiki alle Skripte der Kurse „Elektrotechnik“ bis „Microcontrollertechnik“ offen zugänglich. Diese ermöglichen teilweise bereits ein Selbstlernen mit Quizzes und interaktiven Beispielen. Jedoch fehlen Lernprojekte und eine Verbindung zum Lab-in-a-Box Koffer. Es bietet sich eine engere Anbindung an diverse andere Projekte an (z.B. SimulIDE, Hackster.io, phyphox).

Community



10%

Bisher besteht MEXLE2020 aus vielen Einzelteilen, die durch 2 Professoren, einem Labormeister und einige Studierende zusammengehalten und -getragen werden. Das System ist aber inzwischen soweit gewachsen, dass weitere Interessierte es weiterbringen können.

Hardwarekonzept

Der Koffer



Die Konzeption der Hardware trägt der Flexibilität des Einsatzortes Rechnung. Aus diesem Grund wird ein kleiner handlicher Koffer verwendet, der ganzflächig mit einem Modulträger bestückt ist. Der Modulträger dient dabei sowohl als mechanischer Träger, wie auch zur elektrischen Verbindung der Module untereinander. Im Bild ist ein großer Modulträger für bis zu 4×8 Module zu sehen. Stromversorgung und Steuerbus werden durch die 6-poligen Stecker verteilt, welche jeweils unten auf den Modulpositionen zu sehen sind. Ein weiterer Signalpfad steht mit den Buchsen an den Ecken der Modulpositionen zur Verfügung

Der Erstellung des Grundkonzepts liegen folgende Leitlinien zugrunde:

  • Universelles System geeignet für alle Bereiche der Elektronik (Diskret, Analog, Digital, µC, DSP)
  • Kombinationsmöglichkeit von diskreten (R, L, C) mit intelligenten Modulen auf einem Board
  • Flexible Stromversorgung mit eigenständigen Modulen (nicht auf dem Grundboard integriert)
  • System-Module für Steuerung und Messung (Oszilloskop, Funktionsgenerator, Multimeter, …)
  • Basissysteme für unterschiedliche Anwendungen (Lab-in-a-Box, Handgerät, Mobiler Roboter, ..)
  • Kostengünstige, mechanische stabile, haltbare Steckverbindungen
  • Preisorientierung an studentischen Finanzen (Eigenerwerb erwünscht!)

Die Module


verschiedene_mexleplatinen_und_kleine_traegerplatine.jpg


Für die einzelnen Modulplatinen sind verschiedene Formate definiert. Im Bild links ist auf einem kleineren Modulträger eine 1×1 Platine in Modulposition 3 eingesetzt; diese hat die Abmaße 1,0 Zoll Breite und 1,0 Zoll Höhe. Die auf der 1×1 Platine angebrachten schwarzen Buchsen (links und rechts) ermöglichen es weitere Hook-up-Platinen darauf zu setzen. Weiterhin ist die Platine mit dem Modulträger über den 6-poligen Anschluss für Stromversorgung und Steuerbus verbunden; unten auf der Platine sind die Lötpunkte der 6 Stecker zu sehen. Eine einfachere 1×1 Platine ohne Hook-up Buchsen und ohne Anschluss an Stromversorgung und Steuerbus des Modulträgers ist rechts im Bild zu sehen.

Links im Bild ist eine 3×1 abgebildet. Diese nimmt mit den Maßen 3,2 Zoll Breite und 1 Zoll Höhe drei Modulpositionen auf dem Modulträger ein. Der 6-polige Anschluss an den Modulträger ist in diesem Fall rechts zu sehen.

Modularisierung



Prinzipiell sind verschiedene Größen für Module vorgesehen. Kleine Module (0,25×1) können für einfache diskrete Elemente genutzt werden, z.B. Widerstände oder Dioden. Standard Module für Microcontroller-Platinen nehmen die Größe 1×1 ein. Für breitere Komponenten und Systeme, wie z.B. Displays oder Filterstufen können größere Module entwickelt werden.

Als Basis für Grundplatinen dienen die Anschlüsse und das 1×1 Format der Microcontroller-Platine MMC 1x1 328PB. Die Belegung der Anschluss-PINs (ADC, I2C, SPI etc.) richtet sich nach dieser Platine.

mexle2020_multinutzen_ss19.jpg


Links sind verschiedene Platinen im Multi-Nutzen zu sehen, welche in einem Semester entwickelt worden sind.*) Die folgende Slideshow zeigt zunächst eine Motortreiberplatine im 2×1 Format auf einem Modulträger mit einer 328PB-Platine und einem Board zur Spannungsversorgung (oben links).

Softwarekonzept

 

Die notwendige Software für die Microcontroller-Module wurde und wird in Bibliotheken entwickelt. Damit fällt „Lab-in-a-Box“ Nutzern die ersten Schritte in Informatik und Technik leicht. Eine Anbindung an PCs oder Mobiltelefonen ist per USB oder WLAN möglich.

Für den Test eigener Software wird das frei verfügbare Tool SimulIDE verwendet. Diese Software kann auch genutzt werden, um die Module zu testen, bevor diese aufgebaut sind.



Elektronische Simulation / interaktives Skript

Neben der Simulation von Microcontrollern, gibt es noch weitere Verwendung von Open-Source Software. Im Online-Skript zu den Vorlesungen ist eine Schaltungssimulation eingebaut. Diese soll es dem Studierenden ermöglichen verschiedene logische, elektrotechnische und elektronische Situationen leicht zu erfassen und zu verändern. Das Skript soll die praktische Übung mit den Lab-in-a-Box ergänzen.

Beispiel (zum öffnen anklicken)

Aufgabe 9.9.9 Batterie unter Last

Die Abbildung 1 zeigt ein Simulation eines Stromkreises.
Tipp, falls die Simulation zu klein dargestellt wird :

Teil des Stromkreises ist eine Batterie. Außerdem befinden sich zwei Schalter $S_1$ und $S_2$, sowie ein Last-Widerstand $R_L$ im Stromkreis. Zusätzlich wird die Spannung $U$ an der Batterie und der fließende Strom $I$ mit Farben visualisiert und als Zahlenwert dargestellt.

Im unteren Teil der Simulation ist eine Diagramm zu sehen, welches die aktuelle Batteriespannung $U$ auf der x-Achse und den Strom $I$ auf der y-Achse darstellt.
Dieses Diagramm ist die Strom-Spannungs-Kennlinie. Der aktuelle Punkt $(U,I)$ heißt Arbeitspunkt.

Abb. 1: Batterie unter Last

Aufgaben:

  1. Verändern Sie den Arbeitspunkt durch Schalten der Schalter (Doppelklick). Welcher maximale Strom $I_{max}$ und welche maximale Spannung $U_{max}$ lässt sich ablesen?

  2. Der Wert des Last-Widerstand $R_L$ lässt sich doch Doppelklick auf den Widerstand ändern. Außerdem befindet sich rechts neben der Simulation ein Schieberegler (Slider) Widerstand RL. Mit diesem ist der Wert kontinuierlich veränderbar.
    Welcher Verlauf ergibt sich, wenn der Widerstandswert geändert wird?

  3. Die Ausgangsspannung der Batterie ändert sich also, abhängig vom äußeren Widerstand. Dies lässt sich durch einen Spannungsabfall am einem gedachten Innenwiderstand $R_i$ der Batterie beschreiben.
    Nun sollen Sie versuchen die Größe dieses Innenwiderstands anhand der Kenntnisse des Kapitels Einfache Gleichstromkreise - Der unbelastete Spannungsteiler herzuleiten.

    Tipp 1:
    Tipp 2

  4. Betrachten Sie die Ergebnisse aus den Aufgaben 1. und 3. . Wie lässt sich aus dem maximaler Strom $I_{max}$ und der maximalen Spannung $U_{max}$ der Wert des Innenwiderstands $R_i$ bestimmen?

MEXLE Historie

MiniMEXLE

was bisher geschah

Schon vor der Entwicklung von Arduino wurde in der Fakultät T1 an der Hochschule Heilbronn Mikrocontroller-Lernsysteme für die Lehre in Labor und Projekten im Bereich Informatik/Mikrocontroller mit großem Erfolg eingesetzt. Ein wichtiger Teil dieses Erfolgs war dem Umstand zu verdanken, dass die Studierenden Lernsysteme wie dem MiniMEXLE entweder selbst erwerben oder ausleihen und damit auch am heimischen Schreibtisch arbeiten konnten. Neben dem MiniMEXLE-Board waren dazu nur eine kleine Stromversorgung und ein PC mit Entwicklungsumgebung notwendig.

Die Entwicklung des MiniMEXLE und seine Verbreitung wurden mehrfach im Rahmen des Programms LARS unterstützt. Diesem Lernsystem fehlte aber eine breitgefächerte Modularisierung, um schnell und einfach elektronische Schaltungsbeispiele aufbauen zu können.

MEXLE2020

der nächste Schritt

MEXLE 2020 soll aus dem bisherig gelerntem einen fächerübergreifenden Baukasten entwickeln. Dazu werden - von Elektronik beginnend - Teilsysteme aufgebaut. Ab 2021 ist hierzu eine Verbreiterung des Systems geplant. Damit werden Bereiche wie Logik, Regelungstechnik, Mechanik und Motorentechnik mit eingebunden.

Förderungen

2019