Das Projekt

„Smarthome – Energieeffizienz und Erneuerbare Energien entlang der Bildungskette erlebbar machen“

 

> Kurzdarstellung des Vorhabens

Schülerinnen und Schüler experimentieren zu Energiesparmöglichkeiten an einem realistischen Modellhaus mit Smarthometechnologie (inkl. Heizung, Photovoltaik, Aktorik und Sensorik). Die von Lehrer/innen für entsprechende Jahrgangsstufen entwickelten Lernmodule werden im Unterricht eingesetzt.

>> Projektbeschreibung

Das Projekt „Smarthome“ ist eine Entwicklung aus der Kooperation von Hochschule OWL, Centrum Industrial IT, Lippe Bildung eG, zdi-Zentrum Lippe.MINT und sechs Schulen verschiedener Schulformen. Das Projekt ist im Frühjahr 2014 mit der Zielsetzung gestartet, curriculumsnahe Lernmodule an einem automatisierten Lernmodell zu entwickeln. Zudem sollten Kinder und Jugendliche auf unterschiedlichen Altersstufen mit einem gemeinsamen Modell an altersgerechten Aufgaben und Themen arbeiten.

Bei der Auswahl des Lernmodells fiel die Wahl auf das Modell eines Wohnhauses. An diesem Modell lassen sich anschaulich verschiedene Elemente der Hausautomatisierung installieren und zeigen. Der Fokus beim Einsatz der Automatisierungselemente liegt sowohl auf der Einsparung von Energie als auch dem Einsatz regenerativer Energieformen (aktuell Photovoltaik).

Das Modellhaus ist nach aktuellem Stand ausgestattet mit:

• Photovoltaikanlage
• Heizung (elektrisch)
• Beleuchtung
• Fenster- und Türkontakte
• Sensorik (Temperaturmessung, Lichtmessung ….)

Eine Erweiterung der Elemente ist geplant. Das Haus lässt sich über das abnehmbare Dach konfigurieren bzw. Elemente hinzufügen und entfernen.

Die technische Umsetzung und Programmierung erfolgt ausschließlich über kostengünstige Hard- und Software (Raspberry Pi Derivat, C als Programmiersprache, Linux als Basisbetriebssystem). An der technischen Entwicklung waren die Lehrer/innen der kooperierenden Schulen sowie Wissenschaftler der Hochschule OWL beteiligt.

Das erstellte Modellhaus kann ab sofort als Energiesparhaus für den Bereich Hausautomation und Steuerung den Schulen zur Verfügung gestellt werden.

Folgende Energiesparoptionen sind durchführbar:

• Anschluss, Konfiguration und Energiemessung der Photovoltaikanlage inkl. Verbrauchern (Nachführung etc. ist noch in der Entwicklung)
• Generelle Steuerung von Verbrauchern wie Licht, Elektrische Heizung über Netz/Internet
• Anpassung der Heizung/Heizleistung nach Außentemperatur
• Anpassung der Heizleistung nach Fenster/Türöffnung
• Programmierung zeitgesteuerter Elemente z.B. Nachtabsenkung inkl. Kontrollmessung
• Lichtsteuerung „Urlaub“
• uvm.

Eine mechanische Dämmung und die Messung der Auswirkung ist aktuell noch nicht möglich, kann aber grundsätzlich in das vorhandene Grundmodell integriert werden. In einem weiteren Entwick-lungsschritt soll diese Option ermöglicht werden.

Um das Smarthome als Lernmodell in und außerhalb von Schule einsetzen zu können, sind Lernmodule für verschiedene Jahrgangsstufen zu entwickeln. Die Lehrer/innen der kooperierenden Schulen haben sich dazu bereit erklärt. Die Lernmodule werden über eine Lernplattform im Internet auch weiteren Schulen zur Verfügung gestellt, die wiederum neue Lernmodule für das Smarthome entwickeln. Je nach Alterstufe geht es in den Lernmodulen um kleine bis mittlere Projekte. Als Themen kommen die einfache Anwendung von Apps bis zu deren Programmierung in Frage. Im Fokus steht dabei immer die Umsetzung des effizienten Einsatzes von Energie.

In 2016 fand der erste Workshop für Lehrer/innen der kooperierenden Schulen statt. Im Rahmen der Schulung lernen die Lehrer/innen unter anderem die Bereiche Technik, Schnittstellen und Anwendungsgebiete kennen. Dies ist notwendig, um die altersgerechten Smarthome- Lernmodule für die Schüler/innen erstellen zu können.

Die Erstellung der Lernmodule ist für das erste Schulhalbjahr 2017/2018 geplant. Der erste Einsatz der Lernmodule im Unterricht ist für das zweite Halbjahr des Schuljahres 2017/2018 geplant.

>> Zielsetzung, Zielgruppe

Zielgruppe des Projekts sind Schüler/innen ab der Klasse 5. Durch eine der Jahrgangstufe angepasste Entwicklung der Lernmodule bringt das Projekt Smarthome den Schüler/innen das Themenfeld Hausautomation sowie Energiesparen/Umwelt schützen näher. Sie lernen aktuelle Techniken ken-nen und werden für die Themen Erneuerbare Energien und Energieeffizienz sensibilisiert. Durch einen direkten Bezug zur Technik und Programmierung erfahren sie die typischen Tätigkeiten ent-sprechender Energieberufe und Studiengänge. So können sie für diese Themen begeistert werden und ihre Neigungen und Eignung prüfen. Der Beginn einer entsprechenden Berufsausbildung oder eines Studiums mit dem Kernthema Energie/Umwelt wird wahrscheinlicher.

Über diese praktische Beschäftigung soll auch die spätere Einstellung zu den Themen Energieeinsparung und praktischer Umweltschutz sowohl über berufliche Tätigkeiten wie auch persönliches Verhalten positiv beeinflusst werden. Auch die Jugendlichen von heute sind Bauherren und Ent-scheider von morgen!

Eine weitere Besonderheit ist die Einbindung der Arbeit mit dem Smarthome in den regulären Unterricht. Hierdurch soll die Akzeptanz bei den Lehrenden erhöht und die Zahl der in der Breite zu erreichenden Schüler erhöht werden. Dennoch stellt die Entwicklung von curriculumnahen Lernmodulen in einem so komplexen Themenfeld sicherlich eine besondere Herausforderung für die beteiligten Lehrerinnen und Lehrer dar.

>> Methodik, Mittel

Als eine Besonderheit des Projekts „Smarthome“ ist die Einbindung in das Curriculum zu sehen. Dazu wurde schon vor Projektbeginn Lehrer/innen verschiedener Schulformen eingebunden.

Erfahrungen aus der MINT-Berufs- und Studienorientierung zeigen, dass bei den aktuellen Angeboten eine Überfrachtung bei Schüler/innen und Lehrer/innen vorliegt. Diese resultiert daraus, dass hochwertige Angebote fast immer außerhalb der Regelunterrichtszeit, teilweise auch in den Ferien, stattfinden. Dies bedeutet für Schüler/innen eine erhebliche Belastung gerade mit Blick auf G8 und der Einbindung in Projektkurse in der Oberstufe.

Lehrer/innen müssen im Regelfall solche Angebote in der Schule bekannt machen, oft auch gegen Widerstände durchsetzen und Schüler/innen zu den Kursen begleiten. Gerade letzteres findet oft außerhalb des Regelunterrichts statt. Ein Ausgleich wird in den seltensten Fällen gewährt.

Diese Gründe führen zu einem merklichen Rückgang der Akzeptanz für außerschulische Berufs- und Studienorientierungsangebote.

Daraus ist die Idee entstanden, ein hochwertiges Lernmodul zu schaffen, das innerhalb des Unterrichts oder innerhalb eines Projektkurses genutzt werden kann. Das „echte“ Modell des Smarthomes vermittelt dabei den Bezug zur Realität und lässt Schüler/innen z.B. die selbst entwickelte Steuerung der Photovoltaikanlage im Einsatz prüfen und optimieren. Neben hochwertigen Programmierarbeiten vermittelt das Modell, wie moderne Automatisierungselemente schnell und effektiv zur Ressourcenschonung und somit zum Umweltschutz eingesetzt werden können.

Weil das Haus und seine Module über ein Netzwerk erreichbar sind, bietet es sich an, auch die Lernmodule im Netzwerk zur Verfügung zu stellen. Dies geschieht über eine Online-Lernplattform. Diese wird von der Hochschule oder dem zdi-Zentrum Lippe.MINT kostenfrei zur Verfügung gestellt. Neben der zeitgesteuerten Bereitstellung von Lernmaterial bietet die Lernplattform auch Kommunikation unter und zwischen Lernenden und Lehrenden und diverse Module zur Aufbereitung von Ergebnissen und Präsentation. Moderne Medien wie Filme, interaktive Zeichnungen können eingebunden werden. Parallel kann der Zugriff auf das Modellhaus im Netz erfolgen. So kann Erlerntes und Entwickeltes gleich umgesetzt und geprüft werden. Eine Optimierung und Fehlerbeseitigung kann umgehend erfolgen. Schüler/innen und Schüler haben also keine „virtuelle“ Aufgabe, sondern arbeiten am „realen“ Modell, erkennen Erfolge und Fehler. Die Rückmeldung über Erfolg/Misserfolg erfolgt unmittelbar und nicht über Lehrer/innen.