Modell 2: Spritzenpumpe

Auf die Dosis kommt es an!

Klassenstufe
11-13
Zeitaufwand
3 Doppelstunden (erweiterbar bis zu 6 DS)
Schwierigkeitsgrad
Modell: mittel, Programmierung: mittel
Modellart
Tischmodell für Spritzenpumpen
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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren eine medizinische Spritzenpumpe zur Feindosierung von Medikamenten. 

Die Bedienelemente wie Auswahlbuttons und Anzeigeelemente werden auf dem Touch-Display programmiert. Die Dosierung wird über die schrittweise Ansteuerung eines Encodermotors präzise erreicht. 

Zwei LEDs geben Lichtsignale bei Dosierungsbetrieb (grün) bzw. in der Endstellung und bei zu geringem Flüssigkeitsvolumen für eine Dosis (rot). Über Touch-Buttons werden schrittweise verschiedene Funktionen wie „Start“, „Rücklauf“, „Dosisvorwahl“ und „Injektionszeit“ implementiert. Aus der Anzahl der Motorumdrehungen werden die jeweils aktuell injizierte Dosis sowie die Restmenge des Medikaments in der Spritze ermittelt und auf dem Display ausgegeben. Reicht die Restmenge für eine vorgewählte Dosis nicht aus, wird der Start unterbunden. Ebenso stoppt der Motor, wenn die Spritze vollständig eingeschoben ist. In beiden Fällen blinkt die rote LED. 

Bei gezielter Anforderung zum Wechsel der Spritze sowie automatisch beim Programmstart wird der Spritzenantrieb in die Startposition zurückgefahren und stoppt automatisch.

 

ALLTAGSBEZUG

Medizinische Spritzenpumpen sind präzise Dosiergeräte, die Medikamente oder Flüssigkeiten in genau kontrollierten Mengen über einen bestimmten Zeitraum verabreichen. Sie kommen in der Medizin häufig zum Einsatz, 
zum Beispiel bei Narkosen, in der Intensivmedizin oder bei der Schmerztherapie.

Darüber hinaus können Spritzenpumpen zum präzisen Dosieren in biologischen oder chemischen Experimenten und Herstellungsprozessen verwendet werden.

 

Leitfragen

  • Wo ist eine automatische medizinische Spritzenpumpe im Alltag einsetzbar? (Kommunikation)
  • Welche Funktionen muss die Steuerung der Spritzenpumpe sinnvollerweise erfüllen? (Kollaboration)
  • Unter welchen Bedingungen soll das System die Spritze bewegen? (kritisches Denken)
  • Was ist zu berücksichtigen, damit die Steuerung an verschiedenen Standorten 
    genutzt werden kann und das System möglichst robust funktioniert? (Kreativität)

Fächerbezug
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Informatik
Fortgeschrittene Programmierung, Bedingungsschleifen, Funktionen
Mathematik
Bedingtes Zählen, Volumen- und Zeitberechnung
Technik
Stabiles Bauen, Konstruktionstechnik
Physik
Bewegungsänderung
Biologie, Chemie
Experimente mit Dosierungsaufgaben: In chemischen und biologischen Experimenten lässt sich die Spritzenpumpe fächerverbindend einsetzen, um präzise Dosierungen vorzunehmen.

Unterrichtsverlauf
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Einführungsphase
Planungsphase
Konstruktionsphase
Programmierphase
Experimentier- und Testphase
Abschlussphase

 

Informationen und Hinweise
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Methodisch-didaktische Hinweise
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Fachliche Erläuterung
In der medizinischen Praxis arbeiten professionelle Spritzenpumpen mit einer hochpräzisen Schrittdosierung. Anstatt eine Flüssigkeit kontinuierlich fließen zu lassen, wird der gewünschte Volumenfluss durch das wiederholte Verabreichen kleinster Einzeldosen (z. B. 0,01 ml oder sogar 0,001 ml) erreicht. Dieses Prinzip sorgt für maximale Genauigkeit und Sicherheit, insbesondere bei stark wirksamen Medikamenten in der Intensiv oder Notfallmedizin

Didaktische Vorteile
Modellhaft wird hier eine Mikrodosis von 0,1 ml vorgegeben. Die Dosierung in solchen diskreten Schritten lässt sich programmiertechnisch besonders klar umsetzen, da sie gut in Schleifen oder zeitgesteuerte Routinen übersetzbar ist. Die Dosiergeschwindigkeit lässt sich einfach anpassen, indem man entweder die Anzahl oder die Frequenz der Mikrodosen verändert – Überlegungen dazu fördern ein aktives Verständnis für Regelung und Steuerung. Zudem ist das Verfahren für die SuS intuitiv nachvollziehbar: Es ist greifbarer zu überlegen, wie viele Einzelschritte notwendig sind, um beispielsweise 1 ml Flüssigkeit abzugeben, als sich einen gleichmäßigen Fluss abstrakt vorzustellen.

Differenzierungsmöglichkeiten
Je nach Arbeitsgeschwindigkeit der einzelnen SuS können Variationen in der Minimaldosis und der Injektionsgeschwindigkeit programmiert werden (Differenzierungsmöglichkeit 1). Weiterhin kann das Touch-Display um einen Slider erweitert werden, mit dem die Injektionszeit stufenlos eingestellt werden kann (Differenzierungsmöglichkeit 2).


Motivationale Aspekte
Die Arbeit mit Spritzenpumpen verbindet Technik mit sinnvoller Anwendung – hier geht es nicht nur um Motoren und Sensoren, sondern darum, wie Technik Leben retten kann. Für Jungen, gerade aber auch für Mädchen kann dieser medizintechnische 
Kontext besonders motivierend sein, weil er zeigt, dass Programmieren und Bauen nicht abstrakt, sondern sinnstiftend und gesellschaftlich relevant sind. Wer hier tüftelt, arbeitet an Lösungen, die Menschen helfen – das macht Technik greifbar, spannend und wertvoll.

Zusatzmaterialien

  • Wenn vorhanden, könnte für die Einführungsphase in das Thema ein Video genutzt werden.
  • Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche).

Bauanleitung

Stromlaufplan

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen
​


Funktionen der Aktoren/Sensoren


Technische Lösung



Ausführen einer Drehung eines 
Encodermotors

 



Ansteuern des Antriebsmotors für eine 
Drehung mit festgelegter Schrittweite

 


Lichtsignale rote/grüne LED

 


Ansteuern der LED für Betriebs- und 
Fehlermeldungen

 


Berechnen und Anzeigen von 
Informationen auf dem Touch-Display

 


Programmierung und Auswertung von 
Mengen und Zeiten

 

Materialliste

  

Sensoren

Funktion

 

1 On/Off Taster am TXT 4.0 Controller

 

1. Einschalten der Spritzenpumpe

2. Not-Stop der Spritzenpumpe

 
2 Mini-Taster  Erkennen der Start- und Endposition

 

Aktoren

Funktion

 

1 Encodermotor

 

 

Bewegung

 
2 LEDs (1 × rot, 1 × grün) Zustandsanzeige

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