Mit der Konzeption, Durchführung und Realisierung der Hörstation He[a]rophone an der Musikmittelschule Eggenburg haben Nora Dibowski, Christoph Kirmeier, Erkin Bayirli und Simon Laburda 15 Schüler*innen des MINT-Zweiges Einblicke in die Elektronik, 3D-Druck, Programmierung, Interfacedesign und in alle Phasen der Produktentwicklung einer Hörstation mit einer Basisstation und acht drahtlosen Kopfhörern ermöglicht.

Bevor die Realisierung der Hörstation begann, wurde der ehemalige Informatikraum zu einem "Mintraum" umgebaut. Im hinteren Teil des Raumes wurde gemeinsam mit den Schüler*innen ein "Werkraum" mit einer Werkzeugwand, Lötstationen, 3D-Druckern und Kästen für elektronische Komponenten eingerichtet. Im vorderen Bereich wurden modulare Tische für Einzel- und Gruppenarbeiten aufgestellt. Der Raum dient nun als Experimentier-, Kreativ- und Fortbildungszone für Lehrende und Lernende.

Die Hörstation steht der Schule langfristig zur Verfügung und ermöglicht es den Schüler*innen, eigene Hörerlebnisse zu gestalten und zu teilen. Der Hauptstandort der Hörstation ist die Bibliothek der Musikmittelschule, sie kann jedoch auch während des Unterrichts im Klassenzimmer oder in der Pausenaula platziert werden. Bei schönem Wetter können die Kopfhörer auch mit in den Pausenhof genommen werden.

Die Hörstation bietet den Schüler*innen im Unterricht, in Pausen oder während Wartezeiten die Möglichkeit, in die Welt der Hörbücher, Podcasts oder der Musik einzutauchen. Passend zu den Hörbüchern liegen die entsprechenden Bücher bereit, die parallel zum Hörbuch gelesen werden können.

Es ist wissenschaftlich belegt, dass das simultane Lesen und Hören die Lesekompetenz in fast allen Bereichen fördert, darunter Leseflüssigkeit, Lesemotivation, Lesefreude, Bilderimagination, Textverstehen, Perspektivübernahme und das Hören und Lernen von Fremdsprachen. Neben der Lesekompetenz wird auch die literarische Kompetenz von Schüler*innen gefördert, die bisher keine gewohnheitsmäßige Lesehaltung entwickelt haben.

Die Hörstation He[a]rophone möchte durch den Einsatz neuester Technologie die nächste Generation von Lernenden auf die Ära von 3D-Druckern, Robotern und künstlicher Intelligenz vorbereiten. Um unsere Kinder darauf vorzubereiten, müssen in den Schulen bereits heute die Weichen gestellt werden.

Der Workshop fand jeden Montag über einen Zeitraum von neun Monaten statt und gliederte sich in sieben Lernblöcke mit jeweils drei bis neun Unterrichtseinheiten. Jeder Lernblock wurde gemeinsam mit den Schüler*innen erarbeitet. Arbeitsblätter begleiteten den Workshop und dienten der Vorbereitung und Nachbereitung der Themenkomplexe.

Die einzelnen Lernblöcke des Workshops umfassten folgende Inhalte:

Inspirationsphase

In der Anfangsphase des neunmonatigen Projekts werden mit den Schülerinnen Orte für Designprozesse und neue Fertigungstechnologien besucht. Vor Ort werden Workshops abgehalten und Arbeitsblätter verwendet, um den Schülerinnen lokale Themenkomplexe zu erarbeiten und Zukunftstrends kennenzulernen. Das Fablab Happylab in Wien wurde besucht, wo digitale Fertigungstechnologien, High-Tech-Maschinen und ihr Potenzial für die digitale Produktion bei einer Führung erklärt wurden (https://happylab.at/). Ebenfalls wurde die Pilotfabrik der TU Wien besucht, ein "Produktionslabor", in dem seit 2017 gleichzeitig rund 20 verschiedene Innovationsprojekte mit Industriepartnern durchgeführt werden, die sich intensiv mit der Digitalisierung befassen (https://www.pilotfabrik.at/). Im DesignLab des Museums für angewandte Kunst fand der Workshop "Wilde Werkstätten" statt. Dieses speziell für Schulen entwickelte Workshopformat befasst sich mit der klimafreundlichen Gestaltung unseres Lebensraums im weiteren Sinne. Im Themenkomplex Kreislaufwirtschaft "The Circle of Things" lernen die Schüler*innen Designinnovationen zum Thema Kreislauf kennen (https://mak.at/wildewerkstaetten/).

Aufbau des "offenen Lernraums/MintSpace" an der Musikmittelschule Eggenburg

"Offene Lernräume sind aus mehreren Gründen ideale Orte für die Entfaltung der Kreativität: Konstruieren, Programmieren und Kommunizieren verschmelzen, bisher getrennte Denkrichtungen fließen zusammen und ermöglichen ganz neue Perspektiven - ein wesentlicher Katalysator für die Entwicklung origineller Ideen. Gleichzeitig sind offene Lernräume Orte des Ausprobierens. Projekte werden in Selbstlernprozessen umgesetzt, dabei kommt es zu Erfolgen und oft auch zu unvorhergesehenen Problemen, die wiederum mit neuen Ideen gelöst werden müssen." (Dr. Tobias Haertel u.a. in Synergie. Fachmagazin für Digitalisierung in der Lehre, Ausgabe 4, 2017, https://d-nb.info/1147864578/34 (abgerufen am 5. Mai 2022, 16:20 UTC))

Gemeinsames experimentelles und spielerisches Erlernen von 3D-Druck-Grundlagen

Nachdem die neuen Geräte im neuen 'offenen Lernort/MintSpace' aufgestellt wurden, haben die Schülerinnen gemeinsam mit den Lehrkräften die 3D-Drucker zusammengebaut, kalibriert und erste Testausdrucke erstellt. Einige Schülerinnen hatten bereits Vorkenntnisse in der 3D-Konstruktion und hatten kleine druckbare Formen mit einem 3D-Programm vorbereitet und in das Dateiformat STL für den Druck mit dem 3D-Drucker konvertiert. Gemeinsam mit einer Pädagogin und dem zertifizierten 3D-Druck-Experten Erkin Bayirli wurden Grundlagen des 3D-Drucks erarbeitet. Es wurde im Internet zum Themenkomplex des 3D-Drucks und seiner Anwendung in den Bereichen Medizin, Technik, Elektronik, Design und Architektur recherchiert. Die Schülerinnen haben Arbeitsblätter vervollständigt und das Gelernte präsentiert.

Grundlagen der Elektronik anhand einer einfachen Transistorschaltung einer Taschenlampe, der Demontage defekter Kopfhörer und eines Lautsprecherverstärkers

In dieser Lerneinheit wurden den Schülerinnen anhand einer einfachen Transistorschaltung die Grundlagen elektronischer Komponenten vermittelt. Gemeinsam mit den Schülerinnen wurde der Weg von der Zeichnung der Schaltung im 'Schaltkreis'-Feature des Online-Tools TinkerCad bis zur fertig verlöteten Schaltung auf einer eigens angefertigten Taschenlampenplatine erarbeitet. Durch die Demontage defekter Kopfhörer wurde das Innenleben und die Funktionsweise der Kopfhörer besprochen, und es fand ein Diskurs über Schall und Tonentstehung statt. An einem folgenden Montag wurde gemeinsam mit den Schülerinnen ein Lautsprecherverstärker mit dem IC-Chip LM386 und einigen Kondensatoren auf einem Prototyping Board nachgebaut. Dieser wurde dann über einen Klinkestecker mit den Handys der Schülerinnen verbunden, sodass alle Schüler*innen ihre Musik laut hören konnten.

Gestaltung, Konstruktion und 3D-Druck der Kopfhörer und Halterungen der Hörstation

Mit dem Online-3D-Programm TinkerCad wurden die Einzelteile der Kopfhörer entworfen und anschließend mit einem 3D-Drucker gedruckt. Es wurden die elektronischen Komponenten vermessen und Befestigungsmöglichkeiten entwickelt, um sie sicher in den Kopfhörerschalen zu platzieren. Die ersten 3D-Druckversuche für den Kopfbügel, die Ohrpolsterplatte und die Kopfhörerschale wurden gedruckt und getestet. Einige davon wurden verworfen und immer wieder überarbeitet, bis vernünftige, stabile Kopfhörergehäuse entstanden, die ineinander gesteckt werden konnten. In diesen Gehäusen können die Schaltungsplatine, der Lautsprechertreiber und der Akku sicher befestigt werden. Darüber hinaus wurden auch Halterungen entworfen und mit dem 3D Drucker gedruckt, um die Kopfhörer am Bücherturm aufhängen zu können.

Welche Inhalte (Hörbücher, Musikplaylists und Podcasts) könnten über die Hörstation abgespielt werden?

Eine Videokonferenz mit Christoph Kirmeier hat den Schüler*innen die Welt der Hörbücher, Musikplaylists und Podcasts nähergebracht. Gemeinsam wurde festgestellt, dass es nicht viele Podcasts für Jugendliche gibt, was die Idee aufkommen ließ, selbst einen Podcast über das Projekt "He[a]rophone" zu produzieren. Es wurde überlegt, welche Inhalte über die 8 Kopfhörer abgespielt werden können. Neben weiteren "Eigenproduktionen" der Schule, wie beispielsweise Aufnahmen des Schulchors, Märchen aus dem Deutschunterricht und Gedichten aus dem Englischunterricht, sind für das nächste Schuljahr weitere Inhalte geplant. Unter anderem werden Jugendhörbücher mit den entsprechenden Büchern, Podcasts und Radiofeatures aus dem Bereich der Naturwissenschaften in Betracht gezogen.

Finalisierung der Hörstation He[a]rophone & Präsentation durch die Schüler*innen

Die mit dem 3D-Drucker gedruckten Kopfhörerteile wurden nun mit den elektronischen Komponenten ausgestattet. Die beiden Lautsprecher wurden in den Lautsprechermuscheln befestigt. Ein Akku wurde in die Akkuschale eingesetzt, und die Verkabelung vom Akku und dem linken Lautsprecher zur Steuerplatine in der rechten Kopfhörerschale wurde über das Kopfband geführt und verlötet. Ein Drehgeber, der die Audiowiedergabe des Kopfhörers steuert, die Lautstärke regelt und das Navigieren zwischen Kapiteln oder Musikstücken ermöglicht, wurde angebracht und verlötet. Die Farben der Kopfpolster wurden ausgewählt und angefertigt, und die Ohrpolster wurden montiert.

Die Steuerplatine besteht aus zwei Teilen: einer Audioplatine, die mit einem Kodierungs-/Dekodierungschip zur Verarbeitung von Audioformaten (MP3, Ogg, WMA, Midi, Flac usw.) bestückt ist, und über die die Bässe, Höhen und Lautstärke der Lautsprecher reguliert werden können.

Die zweite Platine fungiert sozusagen als "Gehirn" und enthält einen leistungsstarken Dual-Core-ESP32-Chip mit USB-Anschluss, Akkuanschluss, WLAN- und Bluetooth-Modul, das für die drahtlose Verwendung der Kopfhörer genutzt wird. Mit dem Akku können die Kopfhörer etwa 10 Stunden lang ohne Stromanschluss betrieben werden.

Als Lautsprecherpaar verwenden wir die Dayton Audio CE38M-8-Lautsprecher. Diese Lautsprecher sind leichte und vielseitige Mini-Lautsprecher mit einer Mylar-Membran, einem robusten Kunststoffrahmen und einem Neodym-Magneten. Sie eignen sich hervorragend für neue Audiogadgets oder als Ersatzlautsprecher für Kopfhörer, elektronische Spiele oder tragbare Elektronik. Die Qualität der Lautsprecher hat sich nach den ersten Audiowiedergabetests als herausragend erwiesen.

Die Akkus der Kopfhörer können über ein USB-Kabel an der Basisstation aufgeladen werden. Zudem ist es möglich, Daten wie Hörbücher, Podcasts und Musik von der Basisstation auf die Kopfhörer zu übertragen. Die Basisstation besteht aus dem Einplatinencomputer Raspberry Pi, einem WLAN-Stick und einem USB-Hub mit acht Anschlüssen für die Kopfhörer.

In der Basisstation ist ein kleiner Server installiert, der ein eigens für He[a]rophone entwickeltes Medienmanagementprogramm enthält. Dieses Programm versorgt die Kopfhörer mit den entsprechenden Audiodaten. Gemeinsam mit den Schüler*innen wurde das Thema Interfacedesign diskutiert, insbesondere die Gestaltung von Benutzerschnittstellen zwischen Mensch und Maschine. Es wurde darüber nachgedacht, wie dies für die Hörstation aussehen könnte, und gemeinsam wurde eine passende Lösung entwickelt.

Die Webseite/Interface kann von jedem Schulrechner aus aufgerufen werden, der mit dem Schulnetzwerk verbunden ist und über den entsprechenden Zugang und das Passwort verfügt. Mit einem iPad welches direkt mit der Basisstation verbunden ist lassen sich über das Webseite/Interface Audiodateien einfach hochladen oder von einer Webseite herunterladen und den einzelnen Kopfhörern zuweisen.

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Wir bedanken uns herzlich bei den projektteilnehmenden Schüler*innen: Fabian A., Luca B., Lena B., Jonas D., Lena D., Leni D., Sophie D., Valentina H., Fabian K., Tobias L., Luca L., Lisa-Marie M., Marlon P., Nina Sch., Luca S., den Lehrpädagog*innen Karin Krottendorfer-Stift & Petra Roitner und der Direktorin der Musikmittelschule Eggenburg, Judith Grafinger für die großartige Zusammenarbeit! Vielen Dank für die Finanzierung des Projektes über den Fördercall "Wissenschaft trifft Schule" der NÖ Landesregierung, Abteilung Wissenschaft und Forschung. Auch einen großen Dank geht an Berenice Kuntner, Geschäftsführerin bei Toolsatwork aus Wien, für die Zurverfügungstellung eines iPads zur Ansteuerung der Hörstation He[a]rophone.