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T9 E - Steuerung testen und optimieren

Steuerungen funktionieren nicht deshalb zuverlässig, weil ein erster Versuch klappt. Du brauchst geplante Testfälle, Messdaten, klare Sollwerte und erneute Prüfungen nach jeder Änderung. In diesem aiMOOC untersuchst Du eine modellhafte, sensorabhängige Kleinspannungs-Steuerung. Du arbeitest wie in einer technischen Prüfung: beobachten, messen, protokollieren, Fehler eingrenzen, gezielt ändern und die Änderung fachlich begründen.

Zielgruppe: Technik, Klasse 9, E-Niveau, Baden-Württemberg.

Leitidee: Nicht raten. Systematisch testen. Nur eine begründete Größe ändern. Danach dieselben wichtigen Tests erneut durchführen.

Sicherheitsrahmen

Praxis nur nach schulischer Unterweisung, unter Aufsicht und mit erforderlicher Schutzausrüstung. Keine eigenständige Nutzung gefährlicher Maschinen. Keine Arbeiten an Netzspannung. Elektrische Versuche nur mit von der Schule freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung. Vor Änderungen an einer realen Schaltung wird die Versorgung nach Vorgabe der Lehrkraft abgeschaltet.

Sicher	Nicht Bestandteil dieses aiMOOC
Simulation, Programmlogik, Testtabellen, freigegebene Kleinspannungsmodelle	Netzspannung, geöffnete Netzgeräte, eigenständige Maschinenversuche
Messen nach Unterweisung und mit vorgegebenem Messbereich	Improvisierte Messungen an unbekannten oder gefährlichen Spannungen
Schaltungsänderungen erst nach Freigabe durch die Lehrkraft	Umbauen unter Spannung

Bildungsplanbezug Baden-Württemberg

Der Bildungsplan Technik der Sekundarstufe I ordnet das Thema dem Bereich Information und Kommunikation und den gesteuerten Systemen zu. Für das E-Niveau sind besonders passend: Logikfunktionen realisieren, Simulationssoftware zur Überprüfung nutzen, physikalische Größen mit Sensoren erfassen und auswerten, Aktoren ansteuern, Steuerungen mit Sensoren und Aktoren realisieren und Steuerungen beziehungsweise Regelungen mit Blockdiagrammen beschreiben.

Quelle zum Nachlesen: Bildungsplan Technik Baden-Württemberg

Prüfungsfokus dieses aiMOOC: Du wertest ein Testprotokoll aus und begründest eine Programm- oder Schaltungsänderung mit Messdaten, Soll-Ist-Abweichungen und technischen Kriterien.

Fachbegriffe direkt erklärt

Fachbegriff	Kurze Erklärung	Beispiel
Testfall	Eine genau festgelegte Prüfung mit Eingabe, erwartetem Ergebnis und beobachtetem Ergebnis.	Sensorwert 499; erwartet: LED an.
Grenzwert	Ein Randwert eines zulässigen oder untersuchten Bereichs.	Kleinster Sensorwert, größter Sensorwert oder direkt benachbarte Werte.
Schwellwert	Ein festgelegter Wert, an dem das Programm sein Verhalten ändert.	Unter 500 soll die LED leuchten.
Fehlfunktion	Das System verhält sich anders als gefordert.	Bei Sensorwert 500 leuchtet die LED, obwohl sie aus sein soll.
Optimierung	Eine gezielte Verbesserung nach einem Kriterium und auf Basis von Messdaten.	Zwei Schwellwerte verhindern unnötiges Flackern.
Messreihe	Mehrere Messungen unter planvoll veränderten Bedingungen.	Vier Helligkeitsstufen, jeweils dreimal gemessen.
Regressionstest	Ein bereits verwendeter Test wird nach einer Änderung erneut ausgeführt.	Nach der Codekorrektur werden 499, 500 und 501 erneut geprüft.

Steuerung als System

Eine Steuerung verarbeitet Eingaben und erzeugt daraus Ausgaben. Bei einer Lichtsensor-Steuerung liefert ein Sensor einen Messwert. Das Programm vergleicht ihn mit einem Schwellwert. Der Ausgang steuert einen Aktor, zum Beispiel eine LED.

Umgebung → Sensor → Eingangswert → Programm / Logik → Ausgang → Aktor
               ↑                    |
               |                    |
          Messung/Test          Sollbedingung

Bildauftrag: Markiere im Bild gedanklich Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe. Vergleiche das allgemeine Blockdiagramm mit der Lichtsensor-Steuerung. Welche reale Größe entspricht jeweils einem Block?

Eine Steuerung muss nicht automatisch eine Rückmeldung des tatsächlichen Ausgangszustands verwenden. Eine Regelung besitzt dagegen eine Rückführung der Regelgröße. Im E-Niveau solltest Du beide in Blockdiagrammen unterscheiden können.

Medienlabor 1: Aufbau beobachten und Fehlerstellen finden

Beobachtungsauftrag: Suche Mikrocontroller, Steckbrett, Leitungen und Widerstände. Markiere auf einer Skizze mindestens vier mögliche Fehlerstellen: falscher Pin, lose Leitung, falsche Reihe am Steckbrett und vertauschte Versorgung.

Vergleichsauftrag: Vergleiche Foto und Schaltungsdarstellung. Welche Informationen sind in der schematischen Darstellung eindeutiger? Welche Informationen erkennst Du im Foto schneller?

Videoauftrag: Beobachte nur den Zusammenhang aus Eingabe, Programmentscheidung und LED-Ausgabe. Notiere zwei Stellen, an denen ein Testfall ansetzen könnte. Baue nichts eigenständig nach.

Systematisch testen statt zufällig verändern

Ein guter Testplan prüft nicht nur typische Werte. Er prüft auch Rand- und Schwellwerte. Eine Änderung ist nur dann aussagekräftig, wenn Du weißt, welche Größe Du geändert hast und welche Wirkung Du erwartest.

Anforderung festlegen
        ↓
Testfälle planen
        ↓
messen / simulieren
        ↓
Soll und Ist vergleichen
        ↓
Fehlerursache eingrenzen
        ↓
genau eine begründete Änderung
        ↓
wichtige Testfälle erneut prüfen

Regel für die Optimierung: Ändere nicht gleichzeitig Schwellwert, Verzögerungszeit und Verdrahtung. Sonst kannst Du nicht erkennen, welche Änderung die Wirkung verursacht hat.

Testfall-Formular

Feld	Inhalt
Test-ID	Eindeutige Kennzeichnung
Anforderung	Was soll das System tun?
Startbedingung	Welcher Zustand gilt vor dem Test?
Eingabe	Welcher Sensor- oder Tasterwert wird vorgegeben?
Erwartetes Ergebnis	Welches Verhalten ist fachlich gefordert?
Tatsächliches Ergebnis	Was wurde beobachtet oder gemessen?
Bewertung	bestanden oder nicht bestanden
Schlussfolgerung	Vermutete Ursache oder nächste gezielte Prüfung

Teststrategie: Normalwert, Grenzwert, Schwellwert

Angenommen, die Anforderung lautet: Die LED leuchtet nur bei Sensorwerten kleiner als 500.

Testart	Sensorwert	Erwartete LED	Warum wichtig?
Unterer Rand	0	an	Prüft den kleinsten Eingabewert.
Normalfall dunkel	250	an	Prüft einen typischen Wert.
Direkt unter Schwellwert	499	an	Prüft die Bedingung knapp vor dem Umschalten.
Exakter Schwellwert	500	aus	Prüft die genaue Vergleichsoperation.
Direkt über Schwellwert	501	aus	Prüft die andere Seite der Grenze.
Normalfall hell	750	aus	Prüft einen typischen Gegenfall.
Oberer Rand	1023	aus	Prüft den größten Eingabewert dieses Simulationsbeispiels.

Merke: Die Werte 499, 500 und 501 liefern meist mehr Information über einen Vergleichsfehler als drei zufällige Werte wie 123, 684 und 901.

Medienlabor 2: Sensoren untersuchen

Fehlersuchauftrag: Verfolge den Signalweg vom lichtabhängigen Widerstand bis zum Eingang. Markiere auf einer eigenen Skizze die Stelle, an der ein lockerer Kontakt den Messwert verfälschen könnte.

Messauftrag in der Simulation: Nutze ein Potentiometer nur als sichere, kontrollierbare Ersatz-Eingabe. Stelle nacheinander 0 %, 25 %, 50 %, 75 % und 100 % ein. Protokolliere den jeweiligen simulierten Eingangswert. So testest Du die Programmlogik unabhängig von wechselnder Raumhelligkeit.

Videoauftrag: Beobachte, wie ein LDR-Wert eingelesen und für eine LED-Entscheidung verwendet wird. Stoppe an der Stelle mit der Bedingung. Formuliere daraus einen Testfall direkt unter und direkt über dem Schwellwert. Führe praktische Schritte nur im schulisch freigegebenen Aufbau aus.

Messreihe: Schwellwert begründet festlegen

Die folgenden Beispielwerte stammen aus einer modellhaften Messreihe. Sie zeigen das Verfahren, nicht eine allgemeingültige Kennlinie. Bei einem realen LDR hängt die Richtung und Größe des Messwerts von der Schaltung und den Bedingungen ab.

Beleuchtungszustand	Messung 1	Messung 2	Messung 3	Mittelwert
stark abgedeckt	158	162	160	160
halbdunkel	322	330	328	327
normales Raumlicht	520	510	515	515
helle Beleuchtung	760	748	752	753

Auswertung: Zwischen „halbdunkel“ und „normales Raumlicht“ liegt in dieser Messreihe ein deutlicher Abstand. Ein Schwellwert sollte nicht geraten, sondern aus dem gewünschten Umschaltpunkt und mehreren Messungen begründet werden.

Sensorwert
800 |                              █ helle Beleuchtung
700 |                              █
600 |                              █
500 |                    █ Raumlicht
400 |
300 |          █ halbdunkel
200 | █ abgedeckt
100 |
  0 +------------------------------------------------

Diagrammauftrag: Zeichne aus der Tabelle ein eigenes Säulen- oder Punktdiagramm. Markiere einen vorgeschlagenen Schwellwert. Begründe ihn mit mindestens zwei Messpunkten.

Wiederholungsmessung und Streuung

Ein einzelner Messwert kann zufällig abweichen. Deshalb misst Du kritische Zustände mehrmals.

Versuch	Eingestellte Bedingung	Messwert
A1	gleiche Beleuchtung	492
A2	gleiche Beleuchtung	505
A3	gleiche Beleuchtung	497
A4	gleiche Beleuchtung	508
A5	gleiche Beleuchtung	499

Beobachtung: Die Werte liegen um 500. Ein einzelner Schwellwert bei 500 kann deshalb zu häufigem Umschalten führen.

Fachliche Folgerung: Prüfe eine Optimierung mit zwei Schwellwerten, statt den Wert zufällig nach oben oder unten zu verschieben.

Programmsimulation 1: einfacher Schwellwert

Das folgende Beispiel ist bewusst kurz. Es beschreibt die Logik einer Lichtsensor-Steuerung.

sensorwert = analogRead(A0)

wenn sensorwert < 500:
    LED = AN
sonst:
    LED = AUS

Simuliere Zeile für Zeile:

Schritt	Sensorwert	Prüfung	LED-Zustand
1	480	480 kleiner 500	an
2	499	499 kleiner 500	an
3	500	500 nicht kleiner 500	aus
4	501	501 nicht kleiner 500	aus
5	520	520 nicht kleiner 500	aus

Selbstkontrolle: Wenn Deine Zustände abweichen, prüfe zuerst die Bedeutung von „kleiner als“. Ändere noch keinen Schwellwert.

Fehlerbeispiel 1: falscher Vergleichsoperator

Fehlerhafte Bedingung:

wenn sensorwert <= 500:
    LED = AN

Die Anforderung lautet aber: nur kleiner als 500.

Sensorwert	Soll	Ist mit fehlerhaftem Code	Ergebnis
499	an	an	bestanden
500	aus	an	nicht bestanden
501	aus	aus	bestanden

Diagnose: Nur der Test am exakten Schwellwert zeigt die Fehlfunktion eindeutig.

Gezielte Änderung: Ersetze „kleiner oder gleich“ durch „kleiner“. Danach werden mindestens 499, 500 und 501 als Regressionstests erneut ausgeführt.

Fehlerbeispiel 2: Eingangsrichtung falsch angenommen

Manche Spannungsteiler liefern bei mehr Licht größere Werte, andere bei mehr Licht kleinere Werte. Deshalb darfst Du nicht raten.

Systematischer Test: Messe denselben Sensor in zwei klar unterscheidbaren Zuständen: abgedeckt und hell beleuchtet. Dokumentiere die Richtung. Erst dann legst Du fest, ob „kleiner“ oder „größer“ den Zustand „dunkel“ beschreibt.

Fehlerhafte Vorgehensweise: Die Vergleichsrichtung wird solange umgedreht, bis die LED einmal passend leuchtet.

Bessere Vorgehensweise: Messwerte erfassen → Richtung feststellen → Bedingung formulieren → Grenztests durchführen.

Fehlerbeispiel 3: zwei Parameter gleichzeitig geändert

Ausgangslage:

Schwellwert = 500
Verzögerung = 500 ms

Ungeeignete Änderung:

Schwellwert = 430
Verzögerung = 50 ms

Wenn das Verhalten danach besser wirkt, weißt Du nicht, ob der neue Schwellwert, die neue Verzögerung oder beides die Ursache ist.

Besser: Zuerst nur den Schwellwert ändern und die vorher festgelegten Testfälle erneut prüfen. Danach kann getrennt untersucht werden, ob eine Verzögerungsänderung sinnvoll ist.

Fehlerbeispiel 4: nur Normalfälle geprüft

Ein Test mit 200 und 800 kann bestehen, obwohl die Bedingung am Schwellwert falsch ist.

200 → an  ✓
800 → aus ✓
500 → ?   ← entscheidender Test fehlt

Prüfungsfalle: „Zwei Tests bestanden“ bedeutet nicht automatisch „System fehlerfrei“. Entscheidend ist die Testabdeckung.

Fehlerbeispiel 5: Schaltungsfehler statt Programmfehler

Wenn ein Ausgang im Programm korrekt schaltet, die reale LED aber nicht reagiert, liegt die Ursache möglicherweise in der Schaltung.

Beobachtung	Nächste gezielte Prüfung	Keine Zufallsänderung
Simulationsausgang wechselt, LED bleibt aus	Verdrahtung, LED-Richtung und freigegebenen Vorwiderstand nach Schaltplan prüfen	Nicht gleichzeitig Code und Verdrahtung ändern
Sensorwert bleibt konstant	Sensoranschluss und Eingangspfad prüfen	Nicht sofort Schwellwert verändern
Wert springt stark	Kontakt, Messbedingungen und Wiederholungsmessung prüfen	Nicht aus einem Einzelwert folgern

Medienauftrag: Beschreibe, warum ein stabiler Kontakt für vergleichbare Messwerte wichtig ist. Praktische Messungen erfolgen nur nach Unterweisung, mit freigegebenem Messgerät und sicherer Kleinspannung.

Transistor als Schalter im E-Niveau

Ein Mikrocontroller-Ausgang soll größere Lasten nicht beliebig direkt treiben. Im Technikunterricht kann ein Transistor als elektronischer Schalter eingesetzt werden. Welche Bauteile, Werte und Schutzmaßnahmen verwendet werden, gibt die schulische Schaltung vor.

Bildauftrag: Markiere Basis, Kollektor, Emitter, Last und Basiswiderstand. Erkläre in einem Satz, warum der Transistor hier nicht als mechanischer Schalter gezeichnet ist.

Videoauftrag: Notiere, welche Eingangsbedingung den Transistor in den Schaltzustand bringt. Vergleiche diese Idee mit einem programmierten Schwellwert. Verwende für schulische Versuche ausschließlich die von der Lehrkraft vorgegebene Schaltung.

Ampelsteuerung als zweites Testobjekt

Eine Ampel ist gut geeignet, um Zeitabläufe, Zustände und Fehlfunktionen zu testen. Sie darf im Unterricht nur als Modell mit sicheren Kleinspannungskomponenten aufgebaut werden.

Fehlersuchauftrag: Prüfe in der Abbildung, welche Leitungen zu den einzelnen Leuchten führen. Formuliere für jede Farbe mindestens einen Testfall.

Videoauftrag: Stoppe das Video an einem vollständigen Ampelzyklus. Erstelle eine Zustandsfolge. Prüfe anschließend, welche Fehlfunktion entstehen würde, wenn Rot und Grün gleichzeitig eingeschaltet wären. Baue die Schaltung nicht eigenständig nach.

Testmatrix für Logikfunktionen

Beispiel: Eine Modell-Warnleuchte soll nur leuchten, wenn Dunkel erkannt UND Freigabetaster gedrückt gilt.

Dunkel erkannt	Freigabetaster	Erwartete Warnleuchte
nein	nicht gedrückt	aus
nein	gedrückt	aus
ja	nicht gedrückt	aus
ja	gedrückt	an

Warum systematisch? Bei zwei binären Eingängen gibt es vier Kombinationen. Eine vollständige Testmatrix prüft jede Kombination genau einmal.

Transfer: Entwirf eine zweite Tabelle für ODER. Formuliere anschließend NICHT als Umkehrung eines Eingangszustands.

Programmsimulation 2: Zustandsfolge einer Ampel

ROT  → ROT_GELB → GRUEN → GELB → ROT

Testfall	Startzustand	Auslöser	Erwarteter Folgezustand	Fehlerhinweis
A1	ROT	Zeit abgelaufen	ROT_GELB	Sprung direkt zu GRUEN wäre Abweichung
A2	ROT_GELB	Zeit abgelaufen	GRUEN	Rot darf danach nicht aktiv bleiben
A3	GRUEN	Zeit abgelaufen	GELB	Direkt ROT könnte falsche Zustandsfolge sein
A4	GELB	Zeit abgelaufen	ROT	Dauerzustand GELB deutet auf Fehler im Übergang

Prüfungsnah: Eine gute Begründung nennt nicht nur „falsch“, sondern welcher Sollzustand erwartet wird, welcher Istzustand beobachtet wurde und welche Code-Stelle deshalb geprüft werden sollte.

Zeitdiagramm untersuchen

Beobachtungsauftrag: Konzentriere Dich auf das rechteckförmige Signal. Übertrage die Idee auf eine digitale LED: hoher Pegel entspricht modellhaft „an“, niedriger Pegel „aus“. Markiere in einer eigenen Skizze eine zu kurze und eine zu lange Einschaltzeit.

Ausgang
AN  ┌─────┐     ┌─────┐
    │     │     │     │
AUS ┘     └─────┘     └────→ Zeit
      t_an   t_aus

Messidee: Miss in einer Simulation fünf vollständige Zyklen. Notiere die Zeiten. Vergleiche Soll- und Istwerte. Eine einmalige Beobachtung reicht nicht, wenn der Fehler nur gelegentlich auftritt.

Testprotokoll: prüfungsnah auswerten

Anforderung: LED an bei Sensorwert kleiner 500; LED aus ab 500.

ID	Eingabe	Soll	Ist	Bewertung	Hinweis
T1	0	an	an	bestanden	unterer Grenzwert
T2	250	an	an	bestanden	Normalfall
T3	499	an	an	bestanden	knapp unter Schwellwert
T4	500	aus	an	nicht bestanden	exakter Schwellwert
T5	501	aus	aus	bestanden	knapp über Schwellwert
T6	750	aus	aus	bestanden	Normalfall
T7	1023	aus	aus	bestanden	oberer Grenzwert

Auswertung in vier Schritten:

Befund: T4 ist der einzige nicht bestandene Testfall.
Eingrenzung: Der Fehler tritt genau am Schwellwert 500 auf.
Hypothese: Im Programm wurde wahrscheinlich „kleiner oder gleich“ statt „kleiner“ verwendet.
Änderung und Nachtest: Vergleichsoperator korrigieren und T3, T4, T5 sowie wichtige Normalfälle erneut testen.

Prüfungsnahe Begründung einer Programmänderung

Schwache Antwort: „Ich ändere den Code, weil es dann klappt.“

Fachlich gute Antwort: „Im Test T4 ist bei Sensorwert 500 die LED an, obwohl sie laut Anforderung aus sein muss. Die Nachbarwerte 499 und 501 funktionieren. Dadurch wird der Fehler auf die Vergleichsgrenze eingegrenzt. Ich ändere die Bedingung von kleiner oder gleich auf kleiner und prüfe anschließend 499, 500 und 501 erneut.“

Musterstruktur für Deine Begründung:

Nenne die Anforderung.
Nenne die auffälligen Mess- oder Testdaten.
Leite eine Fehlerhypothese ab.
Beschreibe genau eine gezielte Änderung.
Nenne passende Regressionstests.
Bewerte, ob die Änderung das Ziel erreicht.

Prüfungsnahe Begründung einer Schaltungsänderung

Beispiel: Ein freigegebener Kleinspannungs-Motor soll über einen Mikrocontroller geschaltet werden. Der Motor wird nicht direkt am Ausgang angeschlossen, sondern über die im Unterricht vorgegebene Transistorstufe.

Fachliche Begründung: „Die Schaltungsänderung trennt den Steuerstrom des Mikrocontroller-Ausgangs von der Lastansteuerung. Der Transistor übernimmt die Schaltfunktion für die Last. Bauteilwerte und gegebenenfalls Schutzbeschaltung werden nach schulischem Schaltplan verwendet. Nach dem Umbau prüfe ich zuerst ohne mechanische Last in der freigegebenen Versuchsanordnung, ob der Ausgang in allen Testfällen korrekt schaltet.“

Wichtig: Keine eigenständige Auswahl oder Verdrahtung leistungsstarker Verbraucher. Keine Netzspannung.

Optimierung mit Hysterese

Wenn ein Sensorwert um einen einzigen Schwellwert schwankt, kann die LED schnell ein- und ausschalten. Eine mögliche Optimierung ist eine Hysterese: Für das Einschalten und Ausschalten gelten zwei verschiedene Schwellwerte.

Beispiel:

EIN-Schwelle = 470
AUS-Schwelle = 530

wenn LED aus und Sensorwert < 470:
    LED = an

wenn LED an und Sensorwert > 530:
    LED = aus

zwischen 470 und 530:
    Zustand beibehalten

Wirkung: Kleine Messwertschwankungen um 500 führen nicht sofort zu einem Wechsel.

Programmsimulation 3: Hysterese Schritt für Schritt

Startzustand: LED aus.

Schritt	Sensorwert	Entscheidung	LED danach
1	540	über AUS-Schwelle	aus
2	525	im Zwischenbereich	aus
3	510	im Zwischenbereich	aus
4	480	im Zwischenbereich	aus
5	469	unter EIN-Schwelle	an
6	490	im Zwischenbereich	an
7	520	im Zwischenbereich	an
8	531	über AUS-Schwelle	aus

Selbstkontrolle: Im Zwischenbereich hängt der Zustand davon ab, ob die LED vorher an oder aus war. Genau deshalb musst Du bei diesem Test auch den Startzustand protokollieren.

Optimierung experimentell planen

Schritt	Gute Vorgehensweise	Fehlerhafte Vorgehensweise
Ziel	„Flackern bei stabiler Beleuchtung verringern“	„Irgendwie besser machen“
Messung	Schwankungsbereich mehrfach erfassen	Einzelwert ansehen
Änderung	Nur EIN- und AUS-Schwelle nach Messdaten festlegen	Mehrere Parameter zufällig ändern
Nachtest	Gleiche Messreihe erneut durchführen	Nur einmal kurz beobachten
Bewertung	Vorher-Nachher-Daten vergleichen	Nach Gefühl entscheiden

Messreihe vor und nach der Optimierung

Beispielhafte Sensorfolge bei nahezu gleicher Beleuchtung:

492, 505, 497, 508, 499, 503, 495, 506

Bei nur einem Schwellwert 500 kann der Ausgang mehrfach wechseln.

Bei Hysterese 470/530 bleibt der Ausgang in diesem Bereich stabil, solange keiner der beiden Umschaltwerte überschritten wird.

Kriterium	Vor Optimierung	Nach Optimierung
Zahl unnötiger Zustandswechsel in dieser Folge	mehrere möglich	keine, sofern Startzustand beibehalten wird
Nachvollziehbarkeit	abhängig von jedem einzelnen Messwert	klarer Zustandsbereich
Prüfbedarf	Grenzwert 500	beide Schwellwerte 470 und 530 plus Zwischenbereich

Wichtig: Eine Optimierung erzeugt neue Testfälle. Nach Einführung der Hysterese müssen 469, 470, Werte im Zwischenbereich, 530 und 531 sowie beide Startzustände geprüft werden.

Neue Grenzwerttests nach der Optimierung

Startzustand	Sensorwert	Erwartung	Begründung
aus	469	an	kleiner als EIN-Schwelle
aus	470	aus	Bedingung „kleiner als 470“ ist nicht erfüllt
aus	500	aus	Zwischenbereich hält den Zustand
an	500	an	Zwischenbereich hält den Zustand
an	530	an	Bedingung „größer als 530“ ist nicht erfüllt
an	531	aus	größer als AUS-Schwelle

Prüfungsfokus: Erkläre, warum derselbe Sensorwert 500 je nach Startzustand zu zwei verschiedenen korrekten Ergebnissen führen kann.

Fehlersuche mit Entscheidungsweg

Fehlfunktion beobachtet
        ↓
Stimmt die Anforderung / das Soll?
        ↓
Ist die Eingabe messbar und plausibel?
        ↓
Erreicht der Wert das Programm korrekt?
        ↓
Ist die Bedingung logisch richtig?
        ↓
Schaltet der Ausgang in der Simulation?
        ↓
Stimmt die reale Verdrahtung?
        ↓
Änderung begründen
        ↓
Regressionstest

Vorteil: Du vermeidest, dass ein Schaltungsfehler durch eine zufällige Codeänderung verdeckt wird.

Diagnosekarten: Fehler und passende Tests

Fehlerbild	Passender Test	Mögliche Ursache
LED immer an	sehr hellen Eingang und oberen Grenzwert testen	Bedingung falsch, Ausgang dauerhaft HIGH, Verdrahtung falsch
LED immer aus	sehr dunklen Eingang und unteren Grenzwert testen	Ausgang nie gesetzt, LED-Pfad unterbrochen, falscher Pin
LED schaltet genau bei 500 falsch	499, 500, 501	Vergleichsoperator
LED flackert bei fast gleicher Beleuchtung	Wiederholungsmessung um den Schwellwert	Messwertstreuung, Kontaktproblem, fehlende Hysterese
Simulation korrekt, realer Aufbau falsch	Ausgangssignal und Verdrahtung getrennt prüfen	Schaltungsfehler
Verhalten nach Änderung unerklärlich	Änderungsprotokoll prüfen	mehrere Parameter gleichzeitig verändert

Medienlabor 3: Ampelmodell beobachten

Beobachtungsauftrag: Zähle die sichtbaren Zustandswechsel. Vergleiche sie mit einer vorher notierten Sollfolge. Suche gezielt nach einem Zustand, der bei einer Straßenampel problematisch wäre.

Vergleichsauftrag: Unterscheide Mikrocontroller, Steckboard und Ampelmodul. Markiere auf einer Skizze die Grenze zwischen Steuergerät und Aktorgruppe.

Mini-Prüfung: Testprotokoll auswerten

Situation: Eine Modellbeleuchtung soll bei Sensorwerten unter 450 einschalten und ab 450 ausschalten.

Test	Sensorwert	Soll	Ist
P1	200	an	an
P2	449	an	an
P3	450	aus	an
P4	451	aus	aus
P5	800	aus	aus

Aufgabe A: Benenne die auffällige Stelle.

Aufgabe B: Formuliere eine plausible Fehlerursache.

Aufgabe C: Begründe genau eine Programmänderung.

Aufgabe D: Nenne mindestens drei Regressionstests.

Hilfe: Vergleiche besonders 449, 450 und 451.

Lösungsweg zur Selbstkontrolle: P3 weicht ab. Da nur der exakte Schwellwert falsch ist, passt als Hypothese ein Vergleich „kleiner oder gleich“ statt „kleiner“. Nach der Änderung werden 449, 450 und 451 erneut geprüft; zusätzlich ist ein Normalfall auf jeder Seite sinnvoll.

Mini-Prüfung: Optimierung bewerten

Situation: Ein Sensor liefert bei gleichbleibender Umgebung wiederholt 496, 503, 498, 505, 497. Die Steuerung schaltet bei 500.

Aufgabe: Erkläre, warum eine zufällige Änderung auf 510 keine saubere Optimierung ist. Entwickle stattdessen einen Testplan für zwei Schwellwerte.

Hilfe: Lege zuerst ein Ziel fest, dann erfasse den Schwankungsbereich und prüfe Werte direkt an beiden neuen Grenzen.

Lösungsweg zur Selbstkontrolle: Der Wert 510 wäre ohne Kriterium nur geraten. Sinnvoll ist: Schwankung mehrfach messen, einen ausreichend begründeten Abstand festlegen, nur diese Schwellen ändern und anschließend beide Grenzbereiche sowie den Zwischenbereich mit definiertem Startzustand testen.

Checkliste für eine gute technische Begründung

Frage	Ja/Nein
Habe ich die Anforderung genannt?
Habe ich Mess- oder Testdaten verwendet?
Habe ich Soll und Ist verglichen?
Habe ich nur eine begründete Änderung vorgeschlagen?
Habe ich erklärt, warum diese Änderung zur Fehlerursache passt?
Habe ich Regressionstests geplant?
Habe ich das Ergebnis nach der Änderung erneut bewertet?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Diesen aiMOOC als Battle spielen

Was gehört zu einem vollständigen Testfall? (Eingabe erwartetes Ergebnis und tatsächliches Ergebnis) (!Nur eine zufällige Eingabe) (!Nur ein Foto der Schaltung) (!Nur eine Programmzeile)

Welcher Test prüft eine Bedingung kleiner als 500 am genauesten? (Die Werte 499 500 und 501) (!Die Werte 100 200 und 300) (!Nur der Wert 250) (!Nur der Wert 900)

Was ist ein Schwellwert? (Ein Wert an dem das System sein Verhalten ändert) (!Ein beliebiger Messfehler) (!Der Name eines Sensors) (!Eine zufällige Verzögerung)

Was ist nach einer gezielten Programmänderung besonders wichtig? (Die relevanten Testfälle erneut ausführen) (!Alle Testdaten löschen) (!Mehrere weitere Parameter gleichzeitig ändern) (!Nur noch typische Werte prüfen)

Warum sollen Parameter nicht zufällig gleichzeitig verändert werden? (Die Wirkung einer einzelnen Änderung wäre nicht mehr eindeutig zuzuordnen) (!Weil Programme nur einen Parameter besitzen) (!Weil Sensoren keine Messwerte liefern) (!Weil Testfälle dann grundsätzlich verboten sind)

Was zeigt eine Soll Ist Abweichung? (Eine mögliche Fehlfunktion) (!Immer einen defekten Sensor) (!Immer einen Fehler der Lehrkraft) (!Automatisch eine gelungene Optimierung)

Wozu dient eine Hysterese bei schwankenden Sensorwerten? (Sie kann häufiges Umschalten um einen einzelnen Schwellwert vermeiden) (!Sie erhöht immer die Versorgungsspannung) (!Sie ersetzt jeden Sensor) (!Sie macht Tests überflüssig)

Welcher Test ist ein Regressionstest? (Ein bereits verwendeter wichtiger Test nach einer Änderung) (!Ein Test ohne erwartetes Ergebnis) (!Ein zufälliger neuer Messwert) (!Eine Prüfung nur vor der ersten Änderung)

Was ist bei einem Fehler genau am Wert 500 eine plausible erste Codeprüfung? (Den Vergleichsoperator untersuchen) (!Die gesamte Schaltung ohne Messung ersetzen) (!Den Schwellwert zufällig auf 700 setzen) (!Alle Leitungen gleichzeitig umstecken)

Welche Begründung ist prüfungsnah und fachlich? (Anforderung Daten Fehlerhypothese Änderung und Nachtest verknüpfen) (!Nur schreiben dass es danach besser aussieht) (!Nur den neuen Parameter nennen) (!Nur ein Bild der Schaltung abgeben)

Memory

Testfall	Festgelegte Prüfung mit Soll und Ist
Grenzwert	Rand eines untersuchten Wertebereichs
Schwellwert	Wert für einen Verhaltenswechsel
Fehlfunktion	Abweichung vom geforderten Verhalten
Optimierung	Gezielte Verbesserung nach Kriterien
Messreihe	Mehrere planvoll erfasste Messwerte
Regressionstest	Wiederholte Prüfung nach einer Änderung
Hysterese	Zwei Umschaltgrenzen gegen häufiges Wechseln

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Grenzwerttest	Prüfung direkt an einem Rand oder Umschaltpunkt
Normalfall	Prüfung eines typischen Betriebszustands
Fehlerfall	Prüfung einer erwartbaren Abweichung oder Störung
Regressionstest	Wiederholung wichtiger Prüfungen nach einer Änderung
Optimierungsziel	Festgelegtes Kriterium für eine Verbesserung

Kreuzworträtsel

Testfall	Wie heißt eine genau festgelegte Prüfung mit Eingabe und erwartetem Ergebnis?
Grenzwert	Wie heißt ein Randwert eines untersuchten Bereichs?
Schwellwert	Wie heißt der Wert an dem die Steuerung ihr Verhalten ändert?
Fehlfunktion	Wie heißt eine Abweichung vom geforderten technischen Verhalten?
Optimierung	Wie heißt eine gezielte Verbesserung nach einem Kriterium?
Messreihe	Wie heißt eine Folge planvoll erhobener Messwerte?

LearningApps

Lückentext

Ein genau geplanter Prüfablauf heißt

. Ein Rand eines untersuchten Wertebereichs heißt

. Ein festgelegter Umschaltpunkt heißt

. Eine Abweichung vom geforderten Verhalten ist eine

. Eine gezielte Verbesserung auf Grundlage von Daten heißt

. Kritische Werte werden nicht zufällig gewählt, sondern

geprüft. Direkt nach einer Änderung werden wichtige frühere Tests als

wiederholt. Mehrere Messungen unter kontrollierten Bedingungen bilden eine

. Zwei getrennte Umschaltschwellen können eine

bilden. Eine gute Begründung vergleicht zuerst

und Ist. Bei der Fehlersuche wird nur eine begründete

gleichzeitig vorgenommen. Nach der Änderung muss das System erneut

werden.

Offene Aufgaben

Leicht

Testfall-Steckbrief: Formuliere vier Testfälle für eine LED-Steuerung: Normalfall, unterer Rand, direkt am Schwellwert und oberer Rand.
Grenzwert-Markierung: Markiere in einer vorgegebenen Wertetabelle alle Rand- und Schwellwerte und begründe Deine Auswahl.
Fehlerfoto-Analyse: Wähle eines der Commons-Bilder im aiMOOC und kennzeichne auf einer eigenen Skizze drei mögliche Fehlerstellen.
Messreihe lesen: Übertrage die Beispielmessreihe in ein Diagramm und markiere den Bereich, in dem ein sinnvoller Schwellwert liegen könnte.

Standard

Testprotokoll erstellen: Simuliere eine Steuerung mit mindestens sieben systematischen Testfällen und dokumentiere Soll, Ist und Bewertung.
Programm simulieren: Führe die Werte 499, 500 und 501 Schritt für Schritt durch eine Vergleichsbedingung. Ändere danach den Operator gezielt und wiederhole dieselben Tests.
Hysterese untersuchen: Vergleiche einen einzelnen Schwellwert mit zwei Schwellwerten. Nutze dieselbe Sensorfolge und zähle die Zustandswechsel.
Fehlerbericht: Verfasse einen kurzen technischen Fehlerbericht mit Anforderung, Befund, Hypothese, Änderung und Nachtest.

Schwer

Optimierungsversuch: Plane eine Messreihe mit mindestens drei Wiederholungen pro Zustand. Leite daraus zwei begründete Schwellwerte ab und definiere die nötigen Grenztests.
Logik-Testmatrix: Entwickle für drei binäre Eingänge eine vollständige Testmatrix. Begründe, warum zufällige Einzeltests weniger aussagekräftig sind.
Programm oder Schaltung: Entwickle einen Diagnoseplan, der zwischen Programmfehler, Sensorfehler, Kontaktproblem und Ausgangsfehler unterscheidet.
Prüfungsaufgabe entwerfen: Erstelle selbst ein fehlerhaftes Testprotokoll mit mindestens einem versteckten Grenzwertfehler. Tausche es mit einer anderen Person und lasse die Änderung fachlich begründen.

Lernkontrolle

Teststrategie entwickeln: Eine Steuerung schaltet bei 600. Entwickle eine kleine Testmenge, mit der Du Normalwerte, Randwerte und die Vergleichsgrenze zuverlässig prüfst. Begründe jeden Testfall.
Testprotokoll auswerten: In einem Protokoll bestehen alle Tests außer dem exakten Schwellwert. Leite eine plausible Fehlerursache ab und formuliere eine gezielte Programmänderung mit Regressionstests.
Optimierung begründen: Ein Sensor schwankt bei konstanter Umgebung um den Schwellwert. Vergleiche die Optionen „Schwellwert verschieben“, „Hysterese einführen“ und „Messbedingungen verbessern“. Begründe, welche Daten Du vor einer Entscheidung brauchst.
Fehler eingrenzen: Die Simulation funktioniert, der reale Kleinspannungsaufbau nicht. Entwickle eine sichere Reihenfolge von Prüfungen, ohne gleichzeitig Programm und Schaltung zu verändern.
Technische Entscheidung: Zwei Lösungen verhindern Flackern: große Zeitverzögerung oder Hysterese. Nenne Kriterien, mit denen Du beide Lösungen vergleichst, und begründe, welche weiteren Tests notwendig sind.
Transfer auf Ampelsteuerung: Übertrage die Methode aus Grenzwerttests auf eine zeitgesteuerte Ampel. Welche Zeitpunkte und Zustandsübergänge müssen direkt an den Grenzen geprüft werden?

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du nicht nur Begriffe nennen, sondern technische Entscheidungen mit Daten begründen kannst.

Testfälle planen: Normalfälle, Grenzfälle, Schwellwerte und Fehlerfälle systematisch auswählen.
Messreihen auswerten: Werte vergleichen, Streuung erkennen und Diagramme nutzen.
Fehlfunktionen eingrenzen: zwischen Programm-, Sensor-, Kontakt- und Schaltungsfehlern unterscheiden.
Programmlogik prüfen: Vergleichsoperatoren, Zustände und Übergänge simulieren.
Optimieren: nur begründete Parameter ändern, Wirkung messen und Kriterien vergleichen.
Nachtesten: nach jeder Änderung wichtige Testfälle erneut durchführen.
Begründen: Anforderung, Soll-Ist-Abweichung, Fehlerhypothese, Änderung und Nachtest fachsprachlich verknüpfen.
Sicher arbeiten: schulische Unterweisung, Aufsicht, Schutzausrüstung, freigegebene Komponenten und sichere Kleinspannung beachten.

OERs zum Thema

Weitere freie Medien im aiMOOC: Die eingebundenen Bilder und Videos aus Wikimedia Commons können über ihre Dateiseiten mit Lizenzangaben geprüft werden. Die YouTube-Videos sind als externe Einbettungen eingebunden; sie ersetzen keine schulische Sicherheitsunterweisung.

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