Gute Schulen brauchen eine moderne Infrastruktur. Wir leben in einer hochtechnisierten Zeit, in der der Einsatz von Tabletts, Smartphones und Computern nicht mehr nur teure Spielerei ist, sondern unser Leben maßgeblich mitbestimmt. Im Jahr 2017 kann man vor einer Welt, in der wir von Armbändern aufgefordert werden Treppen zu steigen, auch im Unterrichtsalltag nicht mehr die Augen davor schließen.
Diese Arbeit soll dazu beitragen, aktuelle Forschungsergebnisse der organischen Elektronik mit smarter Technik zu verbinden, um somit Lehrenden und Lernenden die Angst vor der medialen Zukunft zu nehmen. Die ArdOLED ist in ihrer konzipierten Form einzigartig und spielt wunderbar mit der Fantasie der Lernenden, die zeitgleich wichtige, naturwissenschaftliche Inhaltsfelder erlenen. Ziel der Arbeit soll es sein eine konzeptionelle und experimentelle Entwicklung darzulegen, die auf Basis des OLED Experiments eine Smartphone gesteuerte Schaltung mit Hilfe eines Arduinos, als Schnittstelle, ermöglicht. Dabei wurde auf Basis ausgewählter didaktischer Fachliteratur zum Thema „OLED Bau“ auf Publikation von Jun. Prof. Banerji in Naturwissenschaft im Unterricht Chemie, Praxis der Naturwissenschaft Chemie in der Schule und Chemkon zurückgegriffen. Umfassende Darstellungen und Informationen zur Vertiefung fachtheoretischer Inhalte der Themen „OLED- Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften“ wurden hauptsächlich durch Artikel von Prof. Dr. Nuyken, Dr.-Ing. Samarian und Dr. Wurdack dargelegt. Bezüglich der theoretischen Inhalte zur Konzeption der Schaltung und ihrer Bauteile, wurden Computer Magazine wie C’t, Online-Foren arduino-tutorial, elektronik-kompendium und der physical computing Blog der Züricher Hochschule der Künste zur Erweiterung der informatorischen Kenntnisse genutzt, da diese aktuelle Inhalte und Diskussionen beinhalteten. Als Hauptquelle zur Implementierung des ArdOLED Konzepts in den Unterricht, wurden die Kernlehrpläne des Landes Nordrhein-Westfahlen für die gymnasiale Oberstufe genutzt, sodass am Ende der Arbeit ein didaktisch prägnantes Experiment für einen interdisziplinären naturwissenschaftlichen Unterricht konzipiert wurde. Die ArdOLED.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Schulrelevanz
2.1 Grenzen und Möglichkeiten der ArdOLED Steuerung
2.2 Analyse der Lehrpläne (Chemie, Physik und Informatik)
2.2.1 Erläuterung der Kompetenzerwartungen der Fächer Chemie und Physik
2.2.2 Erläuterung der Kompetenzerwartungen im Fach Informatik und Vergleich mit denen der Chemie und Physik
2.2.3 Kerncurricula in Bezug zur ArdOLED Schaltung
3 Fachwissenschaftliche Hintergründe
3.1 Organische Halbleiter
3.2 Oraganische Leuchtdioden
3.2.1 Elektrolumineszenz
3.2.2 Aufbau der OLED’s
3.2.3 Unterschied OLED Display und LCD
3.3 Arduino
3.3.1 Aufbau
3.3.2 Programmierung
3.3.3 Schaltungen
4 Konzeptioneller Teil
4.1 Experimentelle Entwicklungen
4.1.1 OLED
4.1.2 Arduino
4.1.3 OLED Steuerung
4.2 Entwicklung von Lernmaterialien
4.2.1 Arbeitsmaterialien zur Programmierung der ArdOLED Steuerung
4.2.2 Arbeitsblätter zur Diode
4.2.3 Arbeitsmaterial zum Transistor
4.2.4 Arbeitsmaterialien zur Entwicklung der Schaltung
5 Diskussion
6 Ausblick
7 Zusammenfassung
8 Anhang
8.1 Tabellen
8.2 Arbeitsblätter
8.3 Abbildungen
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, eine konzeptionelle und experimentelle Entwicklung darzulegen, die auf Basis eines OLED-Experiments eine Smartphone-gesteuerte Schaltung mittels eines Arduinos als Schnittstelle ermöglicht. Die Forschungsfrage fokussiert sich dabei auf die interdisziplinäre Erschließung der OLED-Thematik in den MINT-Fächern unter Berücksichtigung aktueller Lehrpläne.
- Entwicklung und Optimierung von Modell-OLED-Displays mit Arduino-Ansteuerung.
- Analyse der fachdidaktischen Relevanz für Chemie, Physik und Informatik in der Sekundarstufe II.
- Erstellung und Evaluation von Lernmaterialien zur Programmierung und Schaltungstechnik.
- Vergleich verschiedener technischer Komponenten hinsichtlich ihrer schulpraktischen Eignung.
Auszug aus dem Buch
3.1 Organische Halbleiter
Die Geschichte der Halbleiter begann Anfang des 19. Jhr. als Berzelius das Element Silizium entdeckte, welches noch heute einen bestimmenden Anteil an anorganischen Halbleitern ausmacht. Im Gegensatz zu organischen Halbleitern, in denen die Elektronen nur in Stoffportionen konjugierter Polymere beschränkt seien, sind bei metallischen Halbleitern die Elektronen über das gesamte Metallgitter delokalisiert. (Banerji, Tausch, und Scherf, 2012, S. 8) Dabei gibt es sogenannte (sog.) Eigenhalbleiter, bei denen das Valenz- und Leitungsband durch eine energetisch geringe verbotene Zone getrennt ist. Um Strom leiten zu können ist es für die Elektronen wichtig diese Energiedifferenz zu überwinden. Dies geschieht durch Energiezufuhr von außen in das System hinein.
Durch den Einbau von Fremdatomen in ein vorhandenes Atomgitter ist es möglich, die Eigenschaften des Halbleiters zu beeinflussen. In anorganischen Halbleitern werden dabei auf die Elemente der 15. Gruppe zurückgegriffen, da diese ein überschüssiges, schwachgebundenes Valenzelektron aufweisen, welches leichter in das Leitungsband gelangen kann. Man spricht hier von einem Donatoratom (z.B. As-Atome). Halbleiter dieses Typs nennt man n-Halbleiter. Fremdatome der 13. Gruppe, welche ein Valenzelektron weniger aufweisen als Si-Atome, bspw. In-Atome, können nur drei Bindungen eingehen. Zur Ausbildung einer vierten Atombindung ist es notwendig ein Elektron des benachbarten Si-Atoms aufzunehmen, wodurch im Silizium eine Elektronenleerstelle entsteht, ein sog. Defektelektron oder auch Elektronenloch genannt. Diese Halbleiter nennt man p-Halbleiter. (Riedel und Meyer, 2013, S. 310–313). Anorganische Halbleiter finden sich z.B. in LED’s, Photovoltaikanlagen und in Transistoren, die einen erheblichen Beitrag zur Entwicklung der Platinen in den heutigen technischen Geräten beitragen und auch für die hier behandelte ArdOLED Schaltung unerlässlich sind.
Organische Halbleiter sind Polymere mit einem konjugierten Pi-Elektronensystem. Die Delokalisierung der konjugierten π-Elektronen wird in der Regel (i.d.R.) durch das Orbitalmodell beschrieben. Wird dies angewendet, kommt es innerhalb bestimmter Kettenabschnitte, welche lediglich sp2 hybridisierte Atome aufweisen, durch Kombination der parallel ausgerichteten pz-Orbitale zu ausgedehnten π-Molekülorbitalen, in denen die π-Elektronen delokalisiert, als „frei beweglich“ vorliegen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beschreibt die Motivation des Autors, aktuelle Forschungsergebnisse der organischen Elektronik für den MINT-Unterricht mittels ArdOLED-Technik didaktisch aufzubereiten.
2 Schulrelevanz: In diesem Kapitel wird die Einbindung der ArdOLED-Schaltung in die Lehrpläne der Fächer Chemie, Physik und Informatik analysiert.
3 Fachwissenschaftliche Hintergründe: Dieses Kapitel erläutert die Grundlagen organischer Halbleiter, die Funktionsweise von OLEDs, die Rolle des Arduino-Mikrocontrollers sowie notwendige elektronische Schaltungskomponenten.
4 Konzeptioneller Teil: Dieser Teil dokumentiert die experimentelle Entwicklung der OLED-Masken, den Vergleich der Arduino-Boards sowie die Erstellung von Lernmaterialien und deren Einsatz im Masterseminar.
5 Diskussion: Die Diskussion reflektiert die Anwendung der ArdOLED-Technik unter Aspekten der Inklusion, Medienkonzepte und der praktischen Umsetzbarkeit im Schulalltag.
6 Ausblick: Der Ausblick thematisiert mögliche Weiterentwicklungen wie RGB-OLEDs, druckbare Elektronik und die Förderung kreativer Problemlösungen bei Schülern.
7 Zusammenfassung: Dieses Kapitel resümiert das Potenzial der ArdOLED als interdisziplinäre Verbindung der MINT-Fächer zur Vermittlung aktueller Forschungsinhalte.
8 Anhang: Der Anhang enthält umfangreiche Tabellen, Arbeitsblätter, QR-Codes für Lernvideos sowie Auswertungen zur Prototypen-Entwicklung.
Schlüsselwörter
ArdOLED, organische Elektronik, Arduino, OLED, Fachdidaktik, MINT-Bildung, Transistorschaltung, Lehrplananalyse, Elektrolumineszenz, Informatik, Chemie, Physik, Unterrichtsentwicklung, Smartphone-Steuerung, Halbleiter
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und didaktischen Erschließung einer interdisziplinären Unterrichtseinheit, in der Schüler mittels eines Arduino-Boards eine organische Leuchtdiode (OLED) steuern können.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Zentrale Themen sind die organische Elektronik, die Funktionsweise von Halbleitern und Dioden, die Programmierung von Mikrocontrollern sowie die Implementierung dieser Inhalte in den naturwissenschaftlichen Unterricht.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, eine praktisch umsetzbare, experimentelle Konzeption zu entwickeln, die Schülern den Zusammenhang zwischen Unterrichtsinhalten und moderner Technologie durch eigene Konstruktion und Programmierung verständlich macht.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Der Autor nutzt experimentelle Entwicklungsanalysen, Produktvergleiche einzelner technischer Varianten (Masken, Boards) sowie eine detaillierte Lehrplananalyse für die Fächer Chemie, Physik und Informatik.
Was ist der Kerninhalt des Konzeptionellen Teils?
Der Hauptteil behandelt die iterative Optimierung der OLED-Masken, die Auswahl geeigneter Arduino-Modelle, die Programmierung der Steuersoftware und die Entwicklung didaktischer Lernmaterialien für ein Masterseminar.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlagworte sind ArdOLED, organische Elektronik, Arduino, OLED, Fachdidaktik, MINT-Bildung, Transistorschaltung und Unterrichtsentwicklung.
Wie unterscheidet sich die im Projekt verwendete OLED von handelsüblichen Displays?
Es handelt sich um ein selbst gebautes Modell mit einer reduzierten Anzahl an Leuchtsegmenten ("Spots"), das primär didaktischen Zwecken dient, um grundlegende physikalische Prinzipien wie Elektrolumineszenz begreifbar zu machen.
Welche Herausforderungen bei der Umsetzung der Schaltung werden erwähnt?
Zu den Herausforderungen zählen die notwendige Spannungsanpassung mittels Transistoren, die thermische Belastung von Bauteilen bei Fehlern sowie die Notwendigkeit, eine benutzerfreundliche Schnittstelle für Schüler bereitzustellen.
- Quote paper
- Maurice Gangl (Author), 2017, Experimentell-didaktische Erschließung von Modell-OLED-Displays mit Arduino, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/456805
