Logikplatine simulieren

Block-Code-Editor in Python

Computer-Sortierstation zum EVA-Prinzip

Wie erkläre ich Logikgatter, ohne dass die Klasse nur abstrakte Symbole auswendig lernt?

Wer Logikgatter im Browser verdrahten lässt, statt UND, ODER und NICHT nur an der Tafel als Wahrheitstabelle vorzurechnen, macht boolesche Algebra fassbar: Die Klasse sieht in Echtzeit, wie ein Signal von einem Eingang zu einem Ausgang wandert und sich dabei verändert. Der Logikgatter-Simulator stellt dafür Eingänge (Schalter und Takt), die sieben Standardgatter UND, ODER, NICHT, NAND, NOR, XOR und XNOR sowie Ausgänge (Lampe und farbige LEDs) bereit – jedes Bauteil mit korrektem IEC-Schaltzeichen, wie es auch in Lehrbüchern verwendet wird. Ein Klick auf ein platziertes Bauteil öffnet ein Infofeld mit Name, boolescher Formel (etwa „A · B = Y“ für UND oder „¬(A⊕B) = Y“ für XNOR) und einer Erklärung in Alltagssprache – die Formel bleibt damit nicht länger abstrakt, sondern lässt sich direkt an der gerade gebauten Schaltung nachvollziehen.

Wie baue ich eine erste Schaltung auf, ohne dass die Klasse gleich überfordert ist?

Bauteile werden aus der linken Seitenleiste per Drag & Drop auf die Arbeitsfläche gezogen (auf Tablets funktioniert das über einen berührungsgesteuerten Platzhalter ebenso) und rasten dabei automatisch an einem Raster ein, sodass Schaltungen sauber und lesbar bleiben. Damit die Fläche beim ersten Öffnen nicht leer ist, lädt das Tool automatisch zwei Beispielschaltungen: einen UND-Schalter, der zwei Eingänge zu einer Lampe verknüpft, und ein XOR-Gatter, das zwei weitere Eingänge zu einer grünen LED führt. An diesen Beispielen lässt sich der Grundmechanismus erklären, bevor die Klasse eigene Schaltungen ergänzt: Im Modus „Verdrahten“ wird einfach von einem Ausgangs-Pin zu einem Eingangs-Pin gezogen, die Verbindung erscheint als Kurve, die sich amber färbt und die aktuelle 0 oder 1 direkt als Zahl an der Leitung anzeigt, sobald Strom fließt.

Wie entsteht die Wahrheitstabelle, und was mache ich bei mehr als vier Eingängen?

Sobald mindestens ein Eingang in der Schaltung verwendet wird, erzeugt der Logikgatter-Simulator unterhalb der Arbeitsfläche automatisch eine vollständige Wahrheitstabelle mit allen möglichen Kombinationen – und markiert dabei live die Zeile, die dem aktuellen Schalterzustand entspricht. Das ist besonders hilfreich, um den Zusammenhang zwischen dem händischen Klicken der Schalter und der theoretisch berechneten Tabelle direkt gegenüberzustellen. Bei mehr als vier Eingängen wächst die Tabelle zu schnell für die Anzeige, weshalb ab dann stattdessen der Hinweis „Maximal 4 Eingänge für die Wahrheitstabelle“ erscheint – für den Unterricht ein guter Anlass, mit der Klasse zu besprechen, warum die Anzahl möglicher Kombinationen bei jedem zusätzlichen Eingang exponentiell wächst.

Wie korrigiere ich eine falsch verdrahtete Schaltung, ohne alles neu aufzubauen?

Über den Modus „Löschen“ lässt sich gezielt ein einzelnes Bauteil oder eine einzelne Verbindung entfernen: Ein Klick auf ein Gatter entfernt es samt aller angeschlossenen Leitungen, ein Klick auf den Mittelpunkt einer Leitung löst nur diese eine Verbindung. So lässt sich ein Fehler beheben, ohne die gesamte Schaltung neu aufbauen zu müssen. Soll die Fläche komplett neu beginnen, setzt „Alles löschen“ den Zustand vollständig zurück. Für den Überblick bei größeren Schaltungen steht zusätzlich eine Zoom- und Verschiebefunktion bereit: Mit dem Mausrad oder per Zwei-Finger-Geste lässt sich zwischen 25 % und 400 % zoomen, ein Klick auf „100 %“ setzt die Ansicht zurück, und ein Ziehen auf leerer Fläche verschiebt den sichtbaren Ausschnitt.

Wie nutze ich das Tool sinnvoll am Beamer, wenn die Schaltung größer wird?

Der Vollbild-Button blendet alle Werkzeugleisten aus und nutzt den gesamten Bildschirm für die Schaltung – praktisch, wenn eine größere Schaltung im Plenum besprochen wird und jedes Detail auch aus der letzten Reihe erkennbar sein soll. Da Leitungen im stromführenden Zustand amber aufleuchten und LEDs bei einer 1 sichtbar in ihrer jeweiligen Farbe strahlen, lässt sich der Signalfluss auch ohne direkten Blick auf die Wahrheitstabelle verfolgen: Die Klasse sieht unmittelbar, welcher Teil der Schaltung gerade „an“ ist. Für gemeinsames Erklären eignet sich außerdem der Klock-Baustein (CLOCK): Er wechselt automatisch alle 800 Millisekunden zwischen 0 und 1 und eignet sich gut, um zu zeigen, wie sich ein sich wiederholendes Taktsignal durch eine Schaltung fortpflanzt, ohne dass jemand manuell schalten muss.

Einsatzideen und Best Practice

Für den Einstieg eignet sich ein Ablauf, bei dem die Klasse zunächst nur die beiden vorgeladenen Beispielschaltungen durch Klicken der Eingangsschalter untersucht und die Wahrheitstabelle mit der eigenen Vorhersage vergleicht, bevor eigene Gatter ergänzt werden. Danach lässt sich gezielt eine Aufgabe stellen wie „Baue eine Schaltung, die nur dann leuchtet, wenn genau einer von zwei Schaltern aktiv ist“ – die Lösung (ein XOR-Gatter) lässt sich anschließend mit der Formel im Infofeld begründen. Für den Übergang zu Verzweigungen im Code bietet sich der Block-Code-Editor an: Die in der Logikplatine geübte Wenn-Dann-Logik von Gattern lässt sich dort direkt als Wenn-Sonst-Baustein wiederfinden. Wer zuvor mit der Computer-Sortierstation das EVA-Prinzip eingeführt hat, kann die Logikplatine als konkretes Beispiel für die Verarbeitung nutzen: Eingänge (Schalter), Verarbeitung (Gatter) und Ausgabe (Lampe, LED) lassen sich hier unmittelbar an einer echten Schaltung zeigen.

Werden die gebauten Schaltungen irgendwo gespeichert?

Nein. Der Logikgatter-Simulator überträgt keine Schaltung an einen Server von klassenkram.de – Bauteile, Verdrahtung und Schalterzustände existieren ausschließlich im Arbeitsspeicher des geöffneten Browser-Tabs und sind nach dem Schließen oder Neuladen der Seite vollständig verschwunden. Es gibt keine Speicher- oder Ladefunktion und keine Ablage in einem lokalen Browserspeicher – wer eine Schaltung über eine Unterrichtsstunde hinaus erhalten möchte, hält sie am einfachsten per Foto oder Bildschirmfoto fest. Das Tool läuft ohne Anmeldung, kostenlos und werbefrei.

Anleitung

1. Ein Bauteil aus der linken Seitenleiste (Eingänge, Gatter oder Ausgänge) per Drag & Drop auf die Arbeitsfläche ziehen.
2. Im Modus „Verdrahten“ von einem Ausgangs-Pin zu einem Eingangs-Pin ziehen, um eine Verbindung herzustellen.
3. Einen Eingangsschalter anklicken, um zwischen 0 und 1 umzuschalten; ein CLOCK-Baustein läuft nach dem Anklicken automatisch weiter.
4. Auf ein platziertes Bauteil klicken, um im Infofeld Name, Formel und Erklärung anzusehen.
5. In den Modus „Löschen“ wechseln, um einzelne Bauteile oder Leitungen zu entfernen, oder „Alles löschen“ für einen kompletten Neustart nutzen.
6. Mit Mausrad oder Zwei-Finger-Geste zoomen, auf leerer Fläche ziehen, um zu verschieben, und bei Bedarf den Vollbild-Button für die Beamer-Ansicht nutzen. Die Wahrheitstabelle unten aktualisiert sich dabei live.