Arduino online unterrichten: Kamera, Simulator und App im Kurs

Arduino online unterrichten klappt per Videoanruf sehr gut, wenn vier Dinge von Anfang an stehen. Erstens liegt das Set bei den Lernenden: Sie stecken die Kabel und laden den Code hoch, nicht du. Zweitens brauchst du zwei Kamerawinkel: einer zeigt das Gesicht, der andere schaut über eine Handyhalterung senkrecht von oben auf das Steckbrett. Drittens teilt die Schülerin oder der Schüler den Bildschirm, damit du den Code in der Arduino IDE, die Fehlermeldung und die Zahlen im seriellen Monitor im selben Moment siehst. Viertens wird das Projekt der Stunde einen Tag vorher verschickt, sodass Bauteilliste und Schaltplan schon vor dem Anruf auf dem Handy geöffnet waren. Mit diesen vier Bausteinen findest du Fehler, obwohl du die Schaltung nie so deutlich siehst wie im Klassenraum: Die Lernenden schauen hin, du sagst ihnen, wohin. Die meisten Fehler zeigen sich in wenigen Minuten, wenn du einer Reihenfolge aus sechs Fragen folgst, die von der Stromversorgung bis zum Code reicht.

Dieser Beitrag behandelt die technische und didaktische Seite des Online-Unterrichts: Kamera- und Tonaufbau, was vor der Stunde verschickt wird, eine Stunde im Minutentakt, Fehlersuche aus der Ferne und Gruppenunterricht. Wie du einen Kurs Woche für Woche planst, steht im Beitrag Arduino-Kurs starten, Schaltungen im Browser bauen im Leitfaden zur Tinkercad-Arduino-Simulation; das wiederholen wir hier nicht. Alle Beispiele gehen von derselben Annahme aus: Die Lernenden haben ein Arduino-Uno-Starterset und einen Computer, und du unterrichtest am eigenen Schreibtisch mit demselben Set.

Warum reicht eine Kamera im Arduino-Online-Unterricht nicht?

Die Laptopkamera zeigt das Gesicht, nicht das Steckbrett auf dem Tisch. Das Board in die Kamera zu halten löst das Problem auch nicht: Die Kabel schwingen, ein Jumper rutscht heraus, der Winkel ändert sich jede Sekunde und du kannst Pin 13 nicht von Pin 12 unterscheiden. Deshalb besteht der Grundaufbau einer Online-Arduino-Stunde aus drei Ansichten: die Gesichtskamera für die Verständigung, die Kamera von oben für die Schaltung und die Bildschirmfreigabe für den Code. Die Gesichtskamera ist wichtiger, als sie scheint; der Moment, in dem jemand die Stirn runzelt, ist der Moment, in dem du ein unausgesprochenes Problem bemerkst. Die Kamera von oben wird die Ansicht, auf die du am meisten schaust, weil nur sie zeigt, in welches Loch ein Kabel geht. Die Bildschirmfreigabe ersetzt den Blick über die Schulter aus dem Klassenraum: Beim Schreiben, Kompilieren und Lesen des seriellen Monitors schaust du auf dasselbe wie die Lernenden.

Technischer Aufbau: Seite der Lehrkraft und Seite der Lernenden

Teure Technik ist nicht nötig; die zweite Kamera ist ein Handy, das in den meisten Haushalten schon vorhanden ist. Welche Videoanruf-App du nutzt, spielt kaum eine Rolle: Bildschirmfreigabe, Chatfenster und die Teilnahme mit einem zweiten Gerät am selben Anruf bieten heute fast alle verbreiteten Apps. Für Gruppenunterricht prüfst du zusätzlich, ob es Breakout-Räume (Gruppenräume) gibt. Die Tabelle stellt den Bedarf beider Seiten nebeneinander.

Der hilfreichste Trick: Die Lernenden treten demselben Anruf ein zweites Mal mit dem Handy bei und benennen diesen Teilnehmer um, etwa „Lena - Schaltung“. Am Handy schalten sie das Mikrofon stumm und den Lautsprecher auf null; sonst nehmen die beiden Geräte gegenseitig ihren Ton auf und der Anruf wird zum Pfeifkonzert. Die Rückkamera statt der Frontkamera liefert ein schärferes Bild und beseitigt das Spiegelproblem: Bei der Frontkamera ist die eigene Vorschau in den meisten Apps gespiegelt, was das Lesen der Pinbeschriftungen erschwert. Das Handy liegt quer, Steckbrett und Arduino sind im selben Bild, und das Handy hängt am Ladekabel; ein 45-minütiger Videoanruf leert einen Akku schnell. Zu Beginn der Stunde heftest du die Ansicht der Kamera von oben an (die meisten Apps haben eine Option wie „Anheften“ oder „Hervorheben“), damit das Bild nicht wegspringt, wenn jemand anderes spricht.

Was vor der Stunde verschickt wird: die 24-Stunden-Regel

Die teuersten Minuten im Online-Unterricht sind die, in denen während des Anrufs Treiber installiert oder ein fehlender Widerstand gesucht wird. Damit das nicht passiert, schick spätestens einen Tag vor der Stunde eine kurze Nachricht und bitte darum, die folgende Liste abzuarbeiten. Für den Projektlink öffnest du das Projekt in BlueGrays und tippst auf Teilen; ist die App installiert, öffnet der Link direkt dieses Projekt auf dem Handy der Lernenden. So haben sie die Liste Benötigte Bauteile und den Schaltplan schon vor Beginn gesehen.

1. Bauteilliste: Namen und Anzahl der Teile, mit Widerstandswerten. Die Lernenden legen die Teile auf den Tisch und schicken ein Foto aus der Kamera von oben; fehlt etwas, weißt du es einen Tag früher.
2. Projektlink: Das Projekt, das du in der App mit Teilen verschickt hast. Die Lernenden vergrößern den Plan und vergleichen die Mengen in der Bauteilliste mit ihrem Set.
3. Installation der Arduino IDE: Die passende Version für das eigene Betriebssystem installieren, einmal öffnen und warten, bis die beim ersten Start geladenen Board-Pakete fertig sind.
4. Testupload: Datei > Beispiele > 01.Basics > Blink öffnen, im Menü Werkzeuge Board und Port wählen, hochladen. Blinkt die L-LED auf dem Board einmal pro Sekunde, sind Computer, Kabel und Treiber bereit. Davon schicken sie dir einen Screenshot oder ein kurzes Video.
5. Probeanruf: Ein 5-minütiger Testanruf vor der Stunde: zweite Teilnahme per Handy, Mikrofon stumm, Winkel der Kamera von oben.
6. Handyhalterung und Licht: Die Halterung steht auf dem Tisch, die Lampe leuchtet von der Seite, unter dem Steckbrett liegt weißes Papier.
7. BlueGrays-Konto: Die Lernenden sind in der App angemeldet. Kostenlose Projekte brauchen nichts weiter; arbeitet ihr mit einem Premium-Projekt, haben sie ihren Code schon eingelöst.

Ablauf einer 45-minütigen Arduino-Online-Stunde

Der folgende Ablauf ist für Einzelunterricht geschrieben und nutzt zwei kostenlose Projekte nacheinander: zuerst Lichtstärke messen mit LDR, um den LDR-Wert im seriellen Monitor zu lesen, dann eine LED in dieselbe Schaltung und weiter zu Nachtlicht mit LDR. Dieses Paar passt gut zum Online-Unterricht, weil die Zahlen im seriellen Monitor in der Bildschirmfreigabe gut lesbar sind und ihr beide im selben Moment seht, wie der Wert fällt, wenn der LDR mit der Hand abgedeckt wird. Beide Projekte sind in BlueGrays mit Schaltplan, Code und dem Bereich Code verstehen vollständig kostenlos.

Das Herzstück dieses Ablaufs sind die Minuten 27–30. Die Schwelle im Nachtlicht-Code ist 50: Fällt der Messwert unter 50, geht die LED an. Aber jeder Raum hat anderes Licht; misst das Zimmer im Hellen 600 und mit abgedeckter Hand 120, geht die LED mit der Schwelle 50 nie an, und die Lernenden halten die Schaltung für kaputt. Deshalb lässt du zuerst messen: „Wie viel im Hellen, wie viel mit der Hand darüber?“ Die Lernenden nennen beide Zahlen, wählen eine Schwelle nahe der Mitte und ändern den Code. Die Aufgabe Probier es selbst im Bereich Code verstehen des Projekts verlangt ebenfalls, die Schwelle auf 300 zu erhöhen und den Unterschied zu beobachten; im Online-Unterricht verhindert die Verbindung mit der eigenen Messung den Irrtum „meine Schaltung ist kaputt“ und zeigt, wozu es den seriellen Monitor gibt. Baudrate und Plotter erklärt der Leitfaden zum Arduino Serial Monitor.

Fehlersuche aus der Ferne: die „Zeig mal“-Reihenfolge

Online kannst du nicht in die Schaltung greifen; das wirkt wie ein Nachteil, wird richtig genutzt aber zum didaktischen Vorteil. Wenn jemand sagt „es geht nicht“, sagst du nicht, was zu tun ist, sondern stellst jedes Mal Fragen in derselben Reihenfolge und bringst so das Hinschauen bei. Die Regel ist einfach: bei der Stromversorgung anfangen, zum Code vorarbeiten, pro Schritt nur eine Sache prüfen. „Ich glaube, das passt“ gilt nicht; entweder wird es in der Kamera gezeigt oder am Bildschirm vorgelesen. Die sechs Schritte unten schließen die häufigsten Anfängerfehler nacheinander aus.

Wenn ihr in der Kamera einem Kabel folgt, lass mit der Fingerspitze zeigen; eine Kugelschreiberspitze ist noch besser, weil sie das Loch im Steckbrett genauer markiert als ein Finger. Beim Zählen der Pins vom Rand des Boards aus starten: „Zähl von GND nach rechts. Im wievielten Loch?“ Lass die Reihennummern und Buchstaben des Steckbretts laut vorlesen; „in c12“ lässt viel weniger Fehler zu als „in dem Loch da“. Denk auch daran, dass du das Board in der Kamera von oben womöglich verkehrt herum siehst, also ist rechts bei den Lernenden links bei dir. Statt „rechts“ und „links“ nutzt du Markierungen auf dem Board: „die USB-Seite“, „die Seite mit GND“, „die Rille in der Mitte des Steckbretts“.

Checkliste aus der Ferne in 10 Schritten

1. Das Board steckt am USB und die ON-LED leuchtet.
2. Das Kabel kann Daten übertragen; es ist dasselbe Kabel, das beim Testupload funktioniert hat.
3. In der Arduino IDE ist Arduino Uno als Board ausgewählt.
4. Der richtige Port ist ausgewählt; der Port, der beim Abziehen des Boards aus der Liste verschwindet, ist der Port des Boards.
5. Der Code kompiliert fehlerfrei; bei einem Fehler wird die erste rote Zeile laut vorgelesen.
6. Der Upload endete mit der Meldung, dass das Hochladen abgeschlossen ist; die TX- und RX-LEDs haben dabei geblinkt.
7. Alle Minusleitungen der Schaltung sind mit dem GND-Pin des Arduino verbunden.
8. Jedes Kabel steckt im Pin aus dem Schaltplan, und die Pinnummer stimmt mit dem Code überein.
9. Das lange Bein der LED geht über den Widerstand zum Pin, das kurze zu GND; die Farbringe des Widerstands stimmen (bei Bedarf mit dem Werkzeug Farbcode prüfen).
10. Der serielle Monitor ist offen, seine Geschwindigkeit entspricht dem Wert in Serial.begin (in dieser Stunde 9600), und Zahlen laufen durch.

Ein klares Schaltungsfoto von den Lernenden bekommen

• Senkrecht von oben fotografieren: Das Handy parallel zum Tisch halten. Auf einem schrägen Foto verschieben sich die Reihen des Steckbretts, und man erkennt nicht, in welchem Loch ein Kabel steckt.
• Blitz aus, Lampe von der Seite: Der Blitz hinterlässt auf dem glänzenden Kunststoff des Steckbretts einen weißen Fleck, genau dort, wo du hinschauen willst.
• Näher rangehen statt zoomen: Digitaler Zoom macht das Bild unscharf. Das Handy näher halten und zum Fokussieren auf den Bildschirm tippen reicht.
• Beschriftungen im Bild: Die Pinbeschriftungen des Arduino und die Reihennummern des Steckbretts müssen im Bild sein. Verdecken Kabel eine Beschriftung, werden sie vorsichtig zur Seite geschoben.
• Vorsicht bei Komprimierung: Verkleinert die Messenger-App das Foto, wird es als Datei oder Dokument gesendet.
• Code als Text statt als Foto: Statt den Bildschirm abzufotografieren, wird der Code kopiert und als Nachricht eingefügt; du kompilierst ihn in deiner eigenen Arduino IDE und antwortest mit der Zeilennummer.

Welche Rolle spielen Simulator und App im Online-Unterricht?

Ein Simulator steht neben dem Online-Unterricht, nicht an seiner Stelle. Sind die Sets noch unterwegs, kannst du die erste Stunde im Browser halten, eine neue Schaltung vorab auf deinem Bildschirm ausprobieren oder Lernenden ohne Board eine Hausaufgabe geben. Einrichtung, Bauteile und Grenzen von Tinkercad stehen ausführlich im Leitfaden zur Tinkercad-Arduino-Simulation; hier nur so viel: In der Simulation gibt es keine Wackelkontakte, keine falsch herum gesteckten LEDs und keinen falschen Port, dabei sind genau das die meisten Fehler im Online-Unterricht. Solange die Lernenden ein Set haben, passiert die eigentliche Arbeit also auf einem echten Steckbrett. Die App hilft während und zwischen den Stunden an diesen Stellen:

• Schaltplan: Die Lernenden tippen auf den Plan, um ihn zu vergrößern, und zoomen Kabel für Kabel heran. Mit In Galerie speichern landet er auf dem Handy; den Plan in der Galerie anzuschauen, während der Videoanruf läuft, ist einfacher als zwischen Apps zu wechseln.
• Link kopieren: Diese Schaltfläche neben dem Quellcode kopiert einen Link, um den Code am Computer zu öffnen. Die Lernenden fügen ihn in den Chat des Anrufs ein oder schicken ihn sich selbst, öffnen ihn am Computer und übernehmen den Code in die Arduino IDE. Der Link ist nicht dauerhaft und läuft nach kurzer Zeit ab; gib Hausaufgaben deshalb mit dem Projektnamen, nicht per Link.
• Code verstehen: Die Zusammenfassung „Was macht dieser Code?“, die Schritt-für-Schritt-Erklärung und die Aufgabe Probier es selbst sind fertige Hausaufgaben zwischen den Stunden. Zum Beispiel nach der Nachtlicht-Stunde: in Lichtstärke messen mit LDR Code verstehen durcharbeiten, die Probier-es-selbst-Aufgabe mit zehn Messungen pro Sekunde lösen und das Ergebnis in der nächsten Stunde per Bildschirmfreigabe zeigen.
• Lass es uns zusammen bauen: Wer eine Stunde verpasst hat oder das Projekt allein wiederholen will, wird in diesem Anleitungsmodus Schritt für Schritt vom Bereitlegen der Teile bis zum Test geführt.
• Forum: Wer zwischen den Stunden hängen bleibt, eröffnet ein Thema in der Kategorie Frage, fügt Schaltungsfotos und mit Code hinzufügen den Code an und schließt es mit Als gelöst markieren, sobald es klappt. Auch bei deiner Antwort kannst du die Drei-Fotos-Regel einfordern. Wie man eine gute Frage stellt, steht im Beitrag Arduino-Fragen im Forum stellen.

Online-Gruppenunterricht: 4 bis 8 Lernende führen

Im Einzelunterricht läuft alles zwischen dir und einer Person; in einer Gruppe von 4 bis 8 ist das eigentliche Problem, dass drei gleichzeitig „bei mir leuchtet nichts“ sagen. Im Videoanruf überlagern sich die Stimmen, und niemand versteht mehr jemanden. Lege die Regeln daher in der ersten Minute fest und halte sie jede Stunde gleich: Alle Kameras von oben bleiben an, Mikrofone sind nur beim Sprechen offen, und Hilfeanfragen kommen schriftlich, nicht per Zuruf.

• Warteschlange: Wer festhängt, schreibt nur Namen und Phase in den Chat („Max - kein Port“). Du arbeitest die Liste von oben nach unten ab, im Hauptraum höchstens 2 Minuten pro Person. Was länger dauert, wandert in einen Breakout-Raum.
• Breakout-Räume: Teile die Gruppe in Räume zu 2–3 Personen. In jedem Raum baut eine Person, die andere schaut auf deren Kamera von oben und vergleicht mit dem Schaltplan, dann wird getauscht. Du besuchst die Räume reihum für je 3–4 Minuten.
• Rotation bei der Bildschirmfreigabe: In jeder Phase teilt eine Person ihren Bildschirm, die anderen vergleichen mit dem eigenen. Schreib die Rotation vor der Stunde auf, damit jede und jeder im Lauf des Kurses mehrmals „vorführt“ und auch Stille sichtbar werden.
• Gemeinsames Fortschrittszeichen: Wer eine Phase fertig hat, schreibt „fertig“ in den Chat. Hat die Hälfte der Gruppe „fertig“ geschrieben, kündigst du die nächste Phase an; wer zurückliegt, macht mit dir im Breakout-Raum weiter.
• Für Schnelle: Halte eine kleine Zusatzaufgabe bereit, etwa die Probier-es-selbst-Aufgabe in Code verstehen oder das Ändern der Schwelle; wer wartet, langweilt sich nicht und blockiert die Warteschlange nicht.

Ein konkretes Beispiel: Angenommen, du machst die Nachtlicht-Stunde mit einer Online-Gruppe von 6 Lernenden, und die Stunde dauert 60 Minuten. Die ersten 10 Minuten sind alle im Hauptraum: Verbindungscheck und Teilezählung. Dann öffnest du 3 Breakout-Räume; in jedem bauen zwei Lernende 15 Minuten lang die LDR-Schaltung und prüfen dabei gegenseitig die Schaltung über die Kamera von oben. Zurück im Hauptraum teilt eine Person ihren seriellen Monitor, und alle schreiben ihre eigenen Hell- und Dunkelwerte in den Chat; 6 verschiedene Zimmer ergeben 6 verschiedene Zahlen, und warum die Schwelle für jede Person eigens gewählt wird, versteht sich von selbst. Die LED kommt wieder in den Breakout-Räumen dazu, und in den letzten 10 Minuten zeigt jeder Raum einmal seine funktionierende Schaltung.

Wie funktionieren Lehrer-Pakete im Online-Kurs?

Dass die Lernenden in verschiedenen Städten wohnen, ist bei Premium-Projekten im Online-Kurs kein Hindernis. Die Lehrer-Pakete von BlueGrays (Profil > Lehrer-Pakete) liefern Premium-Codes zu 5 oder 10 Stück, monatlich oder jährlich, und du teilst sie einzeln über den Bildschirm Meine Codes. Die Teilen-Nachricht enthält den Code und einen Link; tippen die Lernenden darauf, öffnet sich in der App der Bildschirm Code Einlösen mit bereits eingetragenem Code, und ein Tipp auf die Schaltfläche Code Einlösen genügt. Die Lernenden hinterlegen keine Karte in ihrem Apple- oder Google-Konto; du zahlst einmalig über dein eigenes Konto, und nichts verlängert sich automatisch. In Meine Codes siehst du, wer welchen Code genutzt hat; sag deinen Lernenden deshalb vorab, dass beim Einlösen Name, Benutzername, E-Mail-Adresse und Profilfoto mit dir geteilt werden. Die Pakete erklärt der Beitrag Premium-Codes für die Klasse, die Schritte der Lernenden Lehrer-Code einlösen.

8 häufige Probleme im Online-Unterricht und ihre Lösung

Der Kern einer Online-Arduino-Stunde ist, dass die Lernenden ihre Hände und Augen an deiner Stelle einsetzen: Du sagst, wohin sie schauen sollen, sie schauen und zeigen. Nach ein paar Stunden entsteht daraus eine sogar bessere Gewohnheit als im Klassenraum, weil sie lernen, Fehler selbst zu finden. Wenn du deine nächste Online-Stunde mit den Projekten Lichtstärke messen mit LDR und Nachtlicht mit LDR beginnen möchtest, findest du beide kostenlos in der BlueGrays-App mit Schaltplan, Code und dem Bereich Code verstehen und kannst den Link schon heute verschicken.