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Virtueller Hackathon IoT@home am Schönbuch-Gymnasium - Nachbericht

Vom 16. bis zum 24. April 2021 hat der erste Online-Hackathon IoT@home am Schönbuch-Gymnasium Holzgerlingen stattgefunden. Über 30 Schülerinnen und Schüler haben sich – passend zur aktuellen Corona-Zeit – mit dem Thema „Luftqualität in Innenräumen“ befasst. Neben vielen neuen Erkenntnissen für alle Beteiligte können sich auch die Ergebnisse sehen lassen: Es sind zahlreiche pfiffigen Lösungen zur CO2-Messung und ­Anzeige entstanden. Aber der Reihe nach.

Bereits 2018 und 2019 hat am Schönbuch-Gymnasium Holzgerlingen jeweils ein IoT-Hackathon stattgefunden. Die Schülerinnen und Schüler hatten mit Begeisterung eigene Projekte zum Internet der Dinge entworfen, gebaut und programmiert. Die für 2020 geplante dritte Veranstaltung wurde ins Frühjahr 2021 verschoben – und konnte auch jetzt nicht wie geplant stattfinden.

Es wurden Alternativen zu einer Präsenzveranstaltung gesucht. „Kann so ein Hackathon, bei dem jeder alleine zu Hause arbeitet – also rein virtuell – erfolgreich stattfinden“? Diese Frage hat sich das SchulePLUS-Team in Zusammenarbeit mit den beiden Organisatoren und Initiatoren, Guido Burger und Gerhard Bäurle, gestellt. Nach kurzer Diskussion wurde entschieden, das Projekt zu starten. Auf der Plattform MS Teams, auf der auch der Online-Unterrichts am SGH stattfindet, wurde für die Online-Zusammenarbeit der Bereich IoT@home eingerichtet.

Bezogen auf die aktuelle Covid-19-Situation wurde die Messung der Luftqualität als zentrales Thema festgelegt. Konkret ging es um den Bau von sogenannten CO2-Ampeln. Sie zeigen an, wann spätestens gelüftet werden soll. Da man das Virus nicht direkt messen kann, nimmt man den CO2-Anteil als Indikator für die Menge ausgeatmeter Luft in einem Raum. Genau genommen geht es um die Aerosole. Das sind kleinste Tröpfchen, welche lange im Raum schweben können und möglicherweise das Covid-19 Virus tragen. Je höher die gemessene CO2-Konzentration in der Raumluft ist, desto höher ist das Infektionsrisiko, falls sich eine kranke Person im Raum aufhält. Zur Risikominimierung empfiehlt das Bundesumweltamt die Räume mit vielen Leuten gut und kontrolliert zu lüften. Doch wie geht das richtig? Auch dieser Frage gingen die Schülerinnen und Schüler auf den Grund.

Nachdem das Material bestellt war, die Coaches geschult waren und eine Jury bereitstand, fiel am Freitag, den 16. April 2021, der Startschuss: Um 14:00 Uhr haben 30 Schülerinnen und Schüler je ein Materialset zum Bau einer CO2-Ampel am SGH abgeholt. Bereits um 16:00 Uhr startete online eine Einführung zu den Themen Luftqualität, CO2 und Aerosole – und was COVID 19 damit zu tun hat.

Am Samstagmorgen standen die ersten Schritte mit der Hard- und Software auf dem Programm. Von 9:30 Uhr bis 16:30 Uhr fanden Online-Sessions zu verschiedenen Themenbereichen statt. Nach Installation der IoT-Werkstatt (Entwicklungsumgebung) am Rechner zuhause ging es darum, die ersten Programme zu erstellen. Nachmittags gab es Theorie zur Messung von CO2 und des Luftqualitätsindex IAQ, sowie weitere Tipps rund um Programmierung Netzwerktechnik und zur Auswertung der Messdaten, bis hin zur Prognose. Zum Schluss ging es noch um die Möglichkeiten des 3D-Drucks für eine Halterung oder ein Gehäuse für die CO2-Ampel.

In der nun folgenden Woche hatten die Schülerinnen und Schüler von Montag bis Donnerstag jeweils ab 18.00 Uhr Zeit, mit den Projektbetreuern Fragen zu besprechen und verschiedene Themenbereiche zu vertiefen – so wie etwa die Cloud Anwendungen Thingsspeak (Erfassung und Visualisierung von Messdaten) und IFTTT („If this, then that“, verknüpft Daten mit Aktionen und Geräten). Im gesamten Zeitraum gab es in MS Teams einen gemeinsamen Arbeitsbereich mit verschiedenen Kanälen, in denen die Teilnehmenden untereinander und mit den Coaches diskutieren und gemeinsam technische Fragen lösen konnten. Die Coaches teilten dazu regelmäßig ihre Bildschirme und zeigten Lösungsansätze. Programmbeispiele, Hintergrundinformationen und gemeinsam erarbeitete Lösungsansätze wurden im Dateibereich in MS Teams hinterlegt und waren damit für alle zugänglich. Auch von Seiten der Schülerinnen und Schüler konnte der Bildschirm geteilt werden, um ganz individuelle Fragestellungen zu lösen.

Am Samstag, den 24. April 2021, stellten alle Schülerinnen und Schüler die Ergebnisse ihrer arbeitsreichen Woche vor. Wie bei den letzten Hackathons würdigt eine namhafte Jury die Ergebnisse. Hier ging es darum, die Arbeiten entsprechend der Jahrgangsstufe zu würdigen. Ein Vergleich der Projekte war nicht vorgesehen – das ist bei Teilnehmenden von der 5. Klasse bis zur 2. Jahrgangsstufe auch gar nicht möglich.

Elf Schülerinnen und Schüler der 5. Klassen haben sich beteiligt, erfolgreich Ampel gebaut und bemerkenswerte Messergebnisse erzielt, indem sie beispielsweise zuhause verschieden große Räume verglichen haben – oder über einen Tag eine Messreihe am örtlichen Kindergarten durchgeführt haben, mit Darstellung der Daten direkt auf dem Smartphone. Weitere Untersuchungsorte waren im Auto und beim Saxofon spielen.

Schülerinnen und Schüler der Mittelstufe haben ebenfalls einfallsreiche Ampellösungen entwickelt, teilweise nicht nur grafisch mit Ardublock, sondern auch in der Programmiersprache C. Darunter waren anspruchsvolle Lösungen mit Analyse der erfassten Daten, um das Lüftungsverhalten zu optimieren. Den einen oder anderen Aha-Effekt gab es bei der Arbeit mit Kalkulationssoftware wie Excel, die zum Auswerten und zum Darstellen der Daten in Form von Kurven verwendet wurde.

Auch die Oberstufe hat sich - trotz bevorstehendem Abitur - beteiligt und Lösungen entworfen, die über eine reine CO2-Ampel hinaus gingen, wie etwa die grafische Darstellung der Messkurve auf einem Touchdisplay. Ein paar Projekte gingen noch einen Schritt weiter und haben sich an eine Prognose gewagt, um vorherzusagen, wann das nächste Mal gelüftet werden soll – auch unter Einbeziehung der Außentemperatur, die von einem Wetterportal geholt wurde. Die Smart Home-Anbindung, bei der die Hue-Lampe rot leuchtet, wenn gelüftet werden muss, wurde von der Jury mit „Startup-würdig“ kommentiert.

Unterstützt wurden die Schülerinnen und Schüler von einer ganzen Reihe von Coaches mit unterschiedlicher Expertise wie etwa IoT (Intenet of Things), Automatisierung, Softwareentwicklung, 3D-Druck, Datenanalyse und Cloud-Anwendungen. Die 3D-Druck AG hat mit unterstützt und die Möglichkeit geboten, für die CO2-Ampel ein passendes Gehäuse zu drucken. Hier kam auch der 3D-Drucker mit zum Einsatz, den das SGH am 10. April 2021 vom Rotary-Club Sindelfingen erhalten hat. Die Mathe Knobel AG hat zur Auswertung der Daten und zur Entwicklung von Prognosen theoretischen Hintergrund und praktische Beispiele geliefert. In der Einführungssession gab es einige Zusatzinformationen zu der Ausbreitung von Gasen im Raum und was Temperaturunterschiede damit zu tun haben – genau genommen war Physik, Biologie und Chemie mit vertreten. Insgesamt betrachtet handelt es sich um ein fachübergreifendes Projekt, das viele Zusammenhänge zeigt, die im Unterricht hauptsächlich jeweils als Einzeldisziplin behandelt werden.

Die Abschlussveranstaltung dauerte 4 Stunden, ein echter Marathon für alle Beteiligten, war aber alle Mühe wert. Oft hat man leuchtende Augen am Bildschirm gesehen, das Engagement und der Mut der Schule zu einem solchem Format wurde außerordentlich gelobt. Die Aufzählung der erfahrenen Coaches und Juroren weiter unten zeigt auf eindrucksvolle Weise die Verzahnung der lokalen Wirtschaft mit dem ehrenamtlichen Engagement, das unsere Schule auszeichnet. Alle Beteiligten wie die Schulleitung, die Elternschaft, der Elternbeirat, der Verein der Freunde des SGHs und die Stadt Holzgerlingen als Schulträger arbeiten vertrauensvoll Hand in Hand, um den Schülerinnen und Schülern ein solches Format zu bieten – die dann das Beste daraus machen. Das Projekt ist ein Vorzeige-Beispiel für die Umsetzung unseres Schulmottos: den Menschen stärken - die Welt verstehen - Gemeinschaft gestalten.

Iot@home wird in einer AG fortgesetzt. Das Thema Luftqualität wird auch nach Corona ein Thema bleiben, weil sie generell für das Wohlbefinden der Menschen wichtig ist. Zudem ist die IoT-Werkstatt ein Baukasten, der viel mehr kann, als CO2-Ampel. Bodenfeuchte messen, eine Wetterstation bauen, Leute zählen – da lassen sich noch viele weitere Ideen realisieren.

Last, but not least: unser Schirmherr, Herr Bürgermeister Delakos, war so begeistert von dem ersten digitalen Hackathon IoT@home, dass er uns zum AG-Start spontan eine Spende über die Bürgerstiftung zusagte.

Bedanken möchten wir uns bei allen Beteiligten, ohne die dieses Format nicht möglich gewesen wäre:

  • unserem Schirmherrn/Sponsor: Herrn Delakos

  • unserer Schulleitung: Herrn Schimmer und der erweiterten Schulleitung: Frau Meßner.

  • den Initiatoren, Organisatoren und Chefcoaches: Guido Burger und Gerhard Bäurle für ihren unermüdlichen Einsatz innerhalb der Woche des Hackathons und den Wochen davor.

  • unseren Coaches: Prof. Gollmer (Umweltcampus der Universität Trier, Professor für Modellbildung und Simulation), Dr. Ansgar Dorneich (Mathe Knobel AG, Firma Synop Systems), Franco Trapasso (3D-Druck, Firma Festo, in diesem Fall für den Rotary Club Sindelfingen im Einsatz), Oliver Gerstl und Sasha Schulz (ehemalige Schüler des SGH, Studenten) Benedikt Frasch (Scratch-AG) und Robert Orbach (3D-Druck AG), Schüler des SGH und AG Schülerleiter.

  • den Juroren/Laudatoren: Hanna Bouwer (ehemalige Elternbeirätin, mit technologieorientiertem Hintergrund), Claudia Haberland (Firma Quest, Elternbeirätin), Raymond Chow (Elternbeiratsvorsitzender und Vorsitzender des Fördervereins, schwäbischer Automobilkonzern), Helmut Barzen (stellvertretender Elternbeiratsvorsitzender, Riskomanagement einer Großbank), Melanie Schmitt (Unterstufensprecherin, Telekommunikation), Michael Levec (Firma levigo) und Dr. Björn Schittenhelm (Alamannen und Schönbuch Apotheke, „Deutschlands berühmtester Apotheker“)

  • unseren Förderer: Levigo, Elternbeirat und Förderverein des Schönbuchgymnasiums und der Bürgerstiftung der Stadt Holgerlingen

Astrid Denk-Dorneich (Koordination SchulePLUS)