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# Technologieunterricht an der Freie Waldorfschule Uhlandshöhe
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Dieses Dokument bietet eine strukturierte Übersicht und Konzeption für den Technologieunterricht an der Freien Waldorfschule Uhlandshöhe (Stuttgart). Der Unterricht verbindet waldorfpädagogische Grundsätze („vom Phänomen zum Begriff“, handlungsorientiertes Lernen mit „Kopf, Herz und Hand“) mit modernen ingenieurwissenschaftlichen und informatischen Grundlagen.
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## 1. Pädagogischer Leitfaden & didaktischer Bogen
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Der Technologieunterricht folgt einem didaktischen Entwicklungsweg:
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1. **Sinnlich-phänomenologischer Einstieg:** Strom, Licht, Wärme und Bewegung unmittelbar haptisch erleben.
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2. **Mechanisierung & Abstraktion:** Das Relais als Schnittstelle zwischen Mechanik und Elektrik begreifen (sichtbare und hörbare Schaltvorgänge).
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3. **Logik & Rechnerarchitektur:** Wie aus einfachen Schaltern logische Verknüpfungen und Rechenmaschinen entstehen.
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4. **Gemeinschaftliches Großprojekt:** Schülerinnen und Schüler bauen eigenständige Module, die erst im Zusammenspiel ein funktionierendes Gesamtsystem (z. B. Rechenwerk) ergeben.
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5. **Digitalisierung & Programmierung:** Der Arduino als moderner Nachfolger diskreter Schaltungen.
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6. **Digitale Fabrikation (Maker Education):** Gehäuse- und Vorrichtungsbau mittels 3D-Drucker und Lasercutter unter Berücksichtigung von Fertigungsressourcen und -zeiten.
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## 2. Themenbausteine und Module
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[ 1. Einfache Stromkreise ]
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(Schalter, Lämpchen, Taster)
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[ 2. Relais auf dem Breadboard ]
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(Steuer-/Arbeitskreis, Logikgatter)
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[ 3. Großprojekt: 4-Bit-Addierer ] [ 4. Vertiefungs-/Alternativprojekte ]
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(Modulare Schautafel / Teamarbeit) ├─ Quizschaltung (Verriegelung)
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├─ Speicherschaltung (Flip-Flop)
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└─ Aufzugssteuerung (Endschalter/Motor)
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[ 5. Arduino & Sensorik ]
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(C++ Programmierung, Aktorik)
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[ 6. Digitale Fertigung (Makerspace) ]
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(3D-Drucker & Lasercutter als Werkzeuge)
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### Modul 1: Grundlagen des Stromkreises & Basteln mit Schaltern und Lämpchen
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* **Ziele:** Verständnis für geschlossene Stromkreise
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* **Inhalte & Praxis:**
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* Aufbau elementarer Schaltungen mit Netzteil, Glühlämpchen und LEDs.
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* Unterscheidung grundlegender Schaltertypen:
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* **Taster / Schließer (Normally Open - NO)**
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* **Wechselschalter (Single Pole Double Throw - SPDT)**
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* Typische Anwendungsschaltungen:
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* Wechselschaltung (z. B. Flurbeleuchtung mit zwei Schaltern).
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* UND-Schaltung (Reihenschaltung zweier Taster, z. B. Sicherheitszweihandbedienung).
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* ODER-Schaltung (Parallelschaltung zweier Schalter).
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* Aufschrieb als Tabellen und Schaltpläne
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### Modul 2: Relais und Schaltungen auf dem Breadboard
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* **Ziele:** Das Relais als elektromagnetisch gesteuerten Schalter verstehen; galvanische Trennung begreifen; Arbeiten mit dem Steckbrett (Breadboard).
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* **Inhalte & Praxis:**
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* Aufbau und Funktionsweise eines Relais: Spule, Kern, Anker, Rückholfeder, Kontaktzungen.
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* Akustisches und optisches Feedback nutzen („Das Klicken des Relais als Bestätigung des Schaltzustands“).
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* Trennung in **Steuerstromkreis** (niedrige Spannung/Strom zum Erregen der Spule) und **Arbeitsstromkreis** (Schalten von Verbrauchern).
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* Logikbausteine mit Relais auf dem Breadboard aufbauen:
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* **NICHT (Inverter):** Nutzung des Öffner-Kontakts (NC).
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* **UND (AND):** Reihenschaltung der Relais-Schaltkontakte.
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* **ODER (OR):** Parallelschaltung der Relais-Schaltkontakte.
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* **XOR (Exklusiv-ODER):** Zusammenschaltung von Schließer- und Öffnerkontakten für die Addition ohne Übertrag.
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### Modul 3: Das Klassen-Großprojekt – Der Relais-Addierer am großen Brett
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* **Ziele:** Kollaboratives Arbeiten, Abstraktion von Logikschaltungen zur Rechenmaschine (Binärarithmetik).
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* **Konzept:**
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* Auf einer großen hölzernen Steckwand wird ein 6-Bit-Binäraddierer umgesetzt.
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* Schülerteams bauen einzelne standardisierte Funktionsblöcke auf:
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1. **Halbaddierer-Module:** 1 XOR-Gatter (Summe) + 1 UND-Gatter (Übertrag / Carry).
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2. **Volladdierer-Module:** 2 Halbaddierer.
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3. **Eingabeeinheit:** Schalterpaneel mit Kippschaltern inklusive Kontroll-Lämpchen für die Summanden $A$ und $B$.
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4. **Ausgabeeinheit:** Große Lämpchen oder Siebensegment-Anzeige zur Darstellung des Summen-Ergebnisses.
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* Schülergruppen von 2-3 Personen bauen jeweils ein Modul, vorne am Brett.
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* Die Informationsverarbeitung wird physisch nachvollziehbar: Man sieht und hört den Übertrag von Bit zu Bit durch die Relais wandern.
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### Modul 4: Alternativ- und Ergänzungsprojekte
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Falls der Addierer zeitlich oder differenzierend ergänzt/ersetzt werden soll:
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#### 1. Die Quizschaltung (Reaktions- / Buzzer-Schaltung)
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* **Funktion:** Wer zuerst drückt, aktiviert sein Lämpchen und sperrt gleichzeitig alle anderen Teilnehmer (Prioritätsverriegelung).
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* **Schaltungskonzept:**
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* Relais-Selbsthaltung: Ein kurzer Druck auf den Taster erregt das Relais, welches sich über einen eigenen Arbeitskontakt selbst mit Strom versorgt, bis die Lehrkraft die Reset-Taste drückt.
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* Gegenseitige Verriegelung über die Öffner-Kontakte (NC) der konkurrierenden Relais.
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#### 2. Speicherschaltungen (Relais-Flip-Flop / 1-Bit-RAM)
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* **Funktion:** Speichern eines logischen Zustands (0 oder 1).
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* **Schaltungskonzept:**
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* Einfache Selbsthaltung als 1-Bit-Aktivspeicher.
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* Echtes RS-Flip-Flop (Set / Reset) aus zwei kreuzgekoppelten Relaisstufen.
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* Demonstration der Grundlagen von Arbeitsspeicher (SRAM) in Computern.
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#### 3. Aufzugssteuerung
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* **Funktion:** Modell einer 2- oder 3-stöckigen Aufzugsanlage.
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* **Komponenten:**
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* DC-Getriebemotor mit H-Brücke (oder Polwendeschaltung mittels zweier Relais) für Auf-/Abwärtsbewegung.
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* Endschalter (Microtaster) an den Stockwerken zur automatischen Abschaltung bei Zielerreichung.
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* Relaisschaltung oder Arduino zur Abfrage von Rufknöpfen und Etagenlogik.
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### Modul 5: Mikrocontroller-Programmierung mit Arduino
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* **Ziele:** Übergang von fest verdrahteter Logik (Hardware) zur programmierbaren Ablaufsteuerung (Software).
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* **Inhalte:**
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* Erstellen einer Blinkeschaltung.
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* Digitale Ein- und Ausgänge: `pinMode()`, `digitalWrite()`, `digitalRead()`.
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* LED an/aus steuern, Taster abfragen.
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* Taster entprellen (Hardware- vs. Software-Entprellung).
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* Sensoren einbinden: Potentiometer (analoge Eingänge `analogRead()`), LDR (Lichtsensor)
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* 7-Segmentanzeige ansteuern
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* **Verknüpfung:** Umsetzung der vorherigen Relais-Projekte (Aufzugssteuerung, Quiz-Buzzer, Addierer) als Arduino-Sketch.
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## 3. Digitale Fertigung: 3D-Drucker und Lasercutter
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Die Werkstatt verfügt über einen 3D-Drucker (FDM) und einen Lasercutter.
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### Einsatzbereiche im Technologieunterricht
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* **Lasercutter (schnelle 2D-Flächen & Gehäuse):**
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* Zuschnitt von Montageplatten aus Sperrholz oder Acryl für das große Addierer-Brett.
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* Gehäuse für Quiz-Buzzer und Schülerprojekte (Zinkenverbindung / Finger-Joints).
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* Frontplatten mit präzisen Ausschnitten für Schalter, Taster, LEDs und Relais.
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* Beschriftungen und Gravuren von Schaltplänen oder Anschlussbezeichnungen direkt auf den Platten.
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* **3D-Drucker (präzise 3D-Kleinteile & Mechanik):**
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* Tasterkappen, individuelle Gehäusefüße, Montageklammern für Breadboards und Relais.
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* Kabelführungen und Klemmen für das Schautafel-Projekt.
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* Mechanische Teile für die Aufzugssteuerung (Aufzugskabine, Seilrolle, Endschalterhalter).
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### Didaktische & organisatorische Herausforderung: „Lange Fertigungszeiten“
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> [!WARNING]
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> Sowohl 3D-Druck als auch Laserschneiden/Gravieren dickerer Materialien benötigen viel Zeit und können im regulären 90-Minuten-Takt schnell zum Flaschenhals werden.
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#### Strategien zur Unterrichtsorganisation:
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1. **Material- und Technologieabstimmung:**
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* **2D vor 3D bevorzugen:** Flache Gehäuseteile und Paneele auf dem Lasercutter fertigen (Dauer: 1–5 Minuten pro Platte) statt vollvolumig 3D zu drucken (Dauer: oft 2–6 Stunden).
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* **3D-Druck nur für geometrisch notwendige Kleinteile:** Bauteilgrößen strikt begrenzen (z. B. nur Montageclips oder Knopfaufsätze, max. 20–30 Minuten Druckzeit).
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2. **Stationenlernen & rollierende Gruppen:**
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* Nicht die gesamte Klasse konstruiert und fertigt gleichzeitig.
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* Während Gruppe A schaltet und lötet, bereitet Gruppe B CAD-Dateien vor, Gruppe C programmiert den Arduino.
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3. **Vorfertigung von Rohlingen / Standardteilen:**
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* Bereitstellung vorgefertigter Grundplatten und Halterungen; Schüler modifizieren oder individualisieren nur Deckplatten oder Beschriftungen.
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4. **Asynchroner Druck:**
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* Längere 3D-Druckjobs werden am Ende der Unterrichtseinheit gestartet oder laufen über Nacht bzw. in Freistunden unter Aufsicht.
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## 4. Exemplarischer Epochen- / Unterrichtsverlauf (z. B. 4–6 Wochen)
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| Woche / Phase | Schwerpunkt | Inhalte & Praxis |
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| **Woche 1** | Stromkreis & Haptik | Grundlagen, Glühlämpchen, Taster/Schalter, Wechselschaltung |
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| **Woche 2** | Das Relais als Schalter | Steuer-/Arbeitsstromkreis, Breadboard-Steckübungen, Logikgatter (UND, ODER, NICHT) |
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| **Woche 3** | Rechenlogik & Großprojekt | Binärsystem, Halb- und Volladdierer, Modulbau auf Teppich-/Holzbrettern für den Klassen-Addierer |
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| **Woche 4** | Alternativprojekte / Fertigung | Fertigstellung Addierer ODER Vertiefung Quizschaltung / Speicher / Aufzug; Einsatz Lasercutter für Frontplatten |
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| **Woche 5** | Arduino-Einstieg | Grundlagen C++, Taster abfragen, LEDs takten, Sensoren einlesen, Nachbau der Relaislogik im Code |
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| **Woche 6** | Projektabschluss & Präsentation | Integration (Hardware + Software + Gehäuse), Vorführung des Gesamt-Addierers / der Modelle, Reflexion |
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## 5. Benötigte Materialien & Werkstattausstattung
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* **Elektrik / Elektronik:**
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* Steckbretter Bei Arduino
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* Jumperkabel (männlich/männlich, männlich/weiblich)
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* 3V- oder 12V-Relaismodule Nicht vermischen! (2-Kanal)
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* Transparente Relais (zur optischen Beobachtung des Schaltankers)
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* Glühlämpchen (z. B. E10-Fassung, 4,5V–6V) und LEDs mit Vorwiderständen
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* Drucktaster (Schließer), Kippschalter
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* Labornetzteile (regelbar 0–12V)
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* **Mikrocontroller:**
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* Arduino Mega mit Breadboard-Shield
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* USB-Kabel Typ A/B
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* Sensor-Kits (LDR, Ultraschall HC-SR04, Potentiometer)
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* **Mechanik & Maker-Ausstattung:**
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* Großes Steckbrett
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* Bananenstecker / Buchsen oder Klemmen für Modulverbindungen am Großbrett
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* 3D-Drucker (FDM mit PLA-Filament)
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* Dioden-Lasercutter mit Abluftanlage
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* Pappel-Sperrholz (3 mm)
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* Handwerkzeuge: Abisolierzangen, Schraubendreher, Multimeter
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