Digital@CreativeCamp

Was?MINT-Praktikumsprojekt zur Berufsorientierung für Schüler*innen

Wann?   15 Stunden, am 21. und 28. März, am 18. und 25. April, am 2. Mai und am 9. Mai
                    an sechs Nachmittagen von 16:00 bis 18:30 Uhr u.a. mit einer Betriebsbesichtigung.

Wo?   im Schülerlabor der PhänomexX, Schulstraße 25 hinter der Sporthalle West

Wieviele?   maximal 12 Teilnehmer*innen je Praktikum

Wer?        Carsten Brockmann – Geschäftsführer der Fa bps software in Zusammenarbeit mit
                PhänomexX e.V. Standort Ibbenbüren mit Schülerlabor und
ZdI – Zukunft durch Innovation – eine Initiative der Landesregierung NRW.

Big Data, Data Science, Maschinelles Lernen sind Begriffe, die Zukunftsprojekte kennzeichnen. Viele Berufe und Studiengänge sind in den letzten Jahren um diese Begriffe herum entstanden. Beispiele sind Biomathematiker:in, Bioinformatiker:in, Data-Scientist.in,  und weitere.

Die spektakulärsten Anwendungen sind sicher Personenerkennung, individualisierte Werbung und neuerdings ChatGPT. Die verbreitesten Anwendungen finden sich in der Biologie, Medizin und Betrieben mit Lagerhaltung und Logistik. Kaum jemand ahnt, in wievielen täglich genutzten Produkten Elemente von künstlicher Intelligenz enthalten sind.

Allen gemeinsam ist, dass sehr große Datenmengen mit Computern gesammelt und systematisch ausgewertet werden. Dazu verwenden sie grafische Darstellungen, mit deren Hilfe sie „den Überblick“ bekommen. Menschen mit vertieften Kenntnissen in diesen Bereichen sind gesucht.

Wir wollen an Beispielen von "kleinen künstlichen Intelligenzen" in die Tätigkeit einführen mit mit vorgefertigten Bausteinen aus  Python-Programmen MATPLOTLIB und NUMPY. Mit NUMPY-Funktionen werden die Daten aufbereitet und dann mit Hilfe der MATPLOTLIB dargestellt.
Nach der Darstellung erfolgt die Verwendung in Programmen zum "maschinellen Lernen".
Programmierkenntnisse in Python werden nicht vorausgesetzt.

Ein wenig Lust auf Programmieren aber ist Voraussetzung.
Es wir ausschließlich Software aus den genannten Paketen verwendet. Eines der bekanntesten kommerziellen Softwarepakete für diese Aufgaben ist MATLAB. Diese sehr teure Auswertungs-, Simulations- und zur grafischen Darstellung verwendete Software kann in zentralen Teilen mit sehr geringen Programmierkenntnissen durch NUMPY und MATPLOTLIB ersetzt werden. Die dabei erlernten Verfahren haben wenig mit dem Informatik- oder Mathematikunterricht an Schulen zu tun. Trotzdem: Lust und Neugier auf das Experimentieren mit Mathematik und Informatik erwarten wir schon.

Das Konzept:

Schon am ersten Tag wird eine einfache "künstliche Intelligenz" erstellt, die Insekten unterscheiden kann. Dazu ist eine Einführung in die mathematische Bearbeitung großer Datentabellen (Matrizen) mit NUMPY und die Möglichkeiten verschiedener grafischer Darstellungen zur Auswertung mit MATPLOTLIB nötig. Wir starten mit aus dem schulischen Unterricht bekannten grafischen Darstellungen.Die grafischen Darstellungen lassen die Möglichkeiten zu programmierten Unterscheidungen erkennen. Das menschliche Auge erlaubt uns viele Dinge zu sehen, die mathematisch nur mit riesigem Aufwand zu berechnen sind.

Ist aus der grafischen Darstellung die Zielsetzung klar geworden, kann man auch den Algorithmus verstehen, mit dem die Maschine lernt. Die erläuterten Algorithmen sind: Regressionsanalyse, Diskriminanzanalyse, Entscheidungsbäume und die Nächste-Nachbarn-Analyse.

Das permanente Festhalten dieser Datenkonstrukte und Speicherung zur Wiederverwendung in Dateien, sowie das Konvertieren zwischen Dateiformaten bilden ein wichtiges Element dieses Kurses.

Wir werden Kontakt zu Softwareentwicklern:innen haben und einen Blick in ihren Berufsalltag werfen und erhalten dabei Informationen zu Ausbildungsgängen und Studium.

Durchführung:

Maximal 12 Teilnehmer:innen, die die gymnasiale Oberstufe besuchen (bevorzugt Q1) von Gymnasien, Gesamtschulen und Berufskollegs.

• Der Kurs kann fortgesetzt oder wiederholt werden.
  Im Fortsetzungfall wird das in einer AG der PhänomexX erfolgen.

Mit Klimaschutz und Energiewende stehen Elektromotoren stark im Fokus. Die Funktionsweise ist grundsätzlich schnell erklärt. ABER Elektromotor ist nicht gleich Elektromotor. Es gibt sehr viele verschiedene Bauarten für verschiedenste Anwendungen. Im Zusammenhang mit Robotik stehen Schritt- und Servomotoren im Vordergrund. Gemeinsam ist allen Elektromotoren, dass sie elektronisch geregelt werden müssen. Das geschieht mit Microcomputern über Leistungselektroniken.

Der Kurs stellt die verschiedenen Bauarten von Elektromotoren vor. Für jede Bauart werden Anwendungen aufgezeigt. In Experimenten werden die Motoren angesteuert. Dabei spielen Leistungselektroniken, Computerprogramme und Mikroprozessoren eine besondere Rolle.

Wir wollen durch Konzentration auf ein Thema aus der Elektrotechnik auf die Vielfalt der Anwendungen in einem Ingenieurberuf aufmerksam machen und diese vorstellen.

Durchführung:

Ferienkurs vom 11. bis 14. April 2023 (Osterferien) 4 Tage von 9:00 bis 13:30 
14 Stunden thematische Arbeit mit Elektromotoren
4 Stunden Information zu Studiengängen und Ausbildungsmöglichkeiten.
Zusätzliche eine Betriebsbesichtigung in der Firma bps software

Maximal 12 Teilnehmer:innen ab Klasse 9/10

Das Program im Detail (täglich eine Vielzahl von Experimenten und Demonstrationen)

Das Hauptaugenmerk wird im Kurs auf mit Gleichstrom betriebenen E-Motoren liegen:
1.    Gleichstrom - E-Motor
        0.    Funktionsweise und wichtige Grundtypen
        a)    Ansteuerung über Motortreiber (H - Brücke), Drehrichtungssteuerung, programmgesteuert mit Microprocessor
        b)    Steuerung der Drehgeschwindigkeit (programmgesteuert mit Microprocessor)
        c)    Sanfter Anlauf und sanftes Stoppen (programmgesteuert mit Microprocessor)
        d)    Einschränken des Bewegungsbereichs durch Endschalter
        e)    Möglichkeiten zum Wechsel der Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung

2.    Schrittmotoren
        0.    Funktionsweise, Ansteuerung mit Schrittmotor - Treiber
        a)    Test, Geschwindigkeit, Schrittzahl, notwendige Verzögerung
        b)    Ansteuerung über eine Stepper-Bibliothek: Angabe Schrittzahl, Vor- und Rücklauf, Angabe Drehwinkel
        c)    Anwendungen 3-D-Drucker, CNC-Maschinen, Drucker, etc.

3.    Servomotoren
        0.    Funktionsweise, Vor- und Nachteile gegenüber Schrittmotoren
        a)    Ansteuerung über Motortreiber (H - Brücke)
        b)    PWM-Steuerung
        c)    Anwendungen

Berufsfelder: Elektriker:in, Elektroniker:in, Mechatroniker:in, Elektroingenieur:in
Wenn möglich: Zusammenarbeit mit Studenten:innen der Hochschule Osnabrück (Fachbereiche: Elektrotechnik und Berufsschullehrerausbildung)

Python Starterpaket (für die Klassen 9 und 10)

Maximal 12 Teilnehmer:innen!

Voraussetzungen: -KEINE!- Alle notwendigen Kenntnisse zum Programmieren und zur Erstellung von Python-Programmen werden schrittweise erarbeitet, also für Anfänger*innen.

in der Woche nach den Osterferien vom 11. bis 14. April von 09:30 bis 13:00 Uhr oder von 14:00 bis 17:00
Die Uhrzeit hängt von der Anzahl der Anmeldungen zu den verschiedenen Ferien-Kursen ab.
Also erst mal anmelden und dann weitersehen

Grundsätzlich verwenden wir die Python-Entwicklungsumgebung THONNY.

Die Einführung erfolgt über die Erstellung von Grafiken mit dem Python-Standardpaket TURTLE.

Vorgehensweise im ersten Teil:

Grundfunktionen der TURTLE
Wiederholungen und Schleifen
Erstellen eigener Funktionen
Fallunterscheidungen
das Modulkonzept von Python

Vorgehensweise im zweiten creativen Teil:

Normierte Grafikelemente zur Darstellung von Gebäuden
Konstruktion von Gebäuden mit den erarbeitenen Grafikelementen

alternativ:

Ornamente mit Wiederholungen erzeugen (Computerkunst)

Ergebnis eines Schülers als Beispiel:
 Max Weizel ©2021

Analoge Aufgaben gibt es für Bäume, Büsche und Hecken
Analoge Aufgaben gibt es für Bewegungen (Verbreitung von wuchernden Pflanzen, Ausbreitung von Populationen)

Höhepunkte können mathematische Kunstfiguren wie Schneeflockenkurven, Sierpinskidreiecke, Kockkurven, Peanokurven und Hilbertkurven sein. Das alles sind „Monsterkurven“, die zu vertiefenden mathematischen Einsichten führen und für die es in Naturwissenschaften und Technik viele Anwendungen gibt.

Informationstheoretisch stehen Rekursion, Simulation mit Zufallsgeneratoren und die Codierung von Farben für Bildschirm- und Druckanwendungen im Vordergrund. 

Zufällig erzeugte grasähnliche Pflanzen vor einem Hintergrundfoto