Eckdaten
Ziel des Projekts: Einführung in die Roboterprogrammierung
verwendete Technologien
und Werkzeuge:
Open Roberta Lab
EV3 Roboter LEGO Mindstorms
Altersgruppe der Teilnehmenden: 9-12 Jahre
Kontext der Umsetzung: außerschulisch, projektbasiert
Zeitrahmen: 3 Std.

Projektbeschreibung

Vorbereitung Material

  • Pro Arbeitsgruppe (max. 2-3 Schüler_innen): ein LEGO Mindstorms EV3 Roboter mit WLAN-Dongle und Micro-SD-Karte. Es empfiehlt sich, die Roboter vor Kursbeginn einmal mit dem WLAN verbunden zu haben. Bei einem Neustart verbindet sich der Roboter dann selbständig mit dem dann bekannten WLAN.
  • Pro Arbeitsgruppe: eine Bauanleitung zum Aufbau des Roboters. Diese ist in der Regel in dem Roboter Set enthalten, kann aber auch beliebig ersetzt werden.
  • Pro Arbeitsgruppe: ein Computer,  z.B. ein Laptop oder Tablet. Das Gerät sollte Verbindung mit dem Internet und einen gängigen Browser installiert haben.

Vorbereitung Kursraum

  • Der Kursraum sollte entsprechend der Gruppe ausreichend groß sein, so dass die Schüler_innen Platz zum Testen der Roboter haben. Grundsätzlich sollten die Roboter nur auf dem Boden fahren, um zu vermeiden, dass sie vom Tisch fallen.
  • Die Arbeitsplätze sollten es den Arbeitsgruppen ermöglichen, neben dem Laptop noch ausreichend Platz für das Roboter Set und den Aufbau des Roboters zu haben.
  • Der Kursraum sollte mit einem Beamer ausgestattet sein. Die Programmierung kann dort für alle sichtbar gezeigt werden.

Vorbereitung Kursdurchführung

Wichtig ist, dass man selber sicher im Umgang mit dem Roboter und dessen Programmierung ist. Eine gute Grundlage dazu bieten die von der Roberta-Initiative angebotenen Basis-Schulungen kombiniert mit dem darin enthaltenen Buch „Roberta Grundlagen: Lernen mit Robotern“.

Dieser Roberta-Kurs wurde anhand des „Roberta-Konzeptes“ durchgeführt. Da es ein Kurs für absolute Einsteiger_innen in die Roboterprogrammierung ist, werden die Schüler_innen in der Anfangsphase angeleitet. Erst nach Abschluss der Einführung werden die Schüler_innen aufgefordert, sich selbst Aufgabenstellungen auszudenken und diese umzusetzen. Dabei entstehen ganz unterschiedliche Ideen. Häufig fragen die Schüler_innen bereits nach kurzer Zeit, wie sie die Sensoren programmieren können, um ihre immer komplexeren Ideen umzusetzen.

Einführungsphase: Gespräch und Diskussion

  • Was sind Roboter? (Beispiele aus dem Alltag, z.B. Rasenmäher-, Putz- oder Industrieroboter)
  • Was benötigt ein Roboter? (z.B. Motoren, Sensoren)
  • Wie bewegt sich ein Roboter?
  • Herstellen von Analogien zum Menschen (Sensoren entsprechen z.T. menschlichen Sinnen)
  • Erklären der Funktionsweise von Motoren und einzelnen Sensoren

Einarbeitungsphase

  • Aufbau des Roboters anhand der Anleitung (Hilfestellung ist hier ggf. nötig)
  • Kurze Einführung in das Menü des Roboters und die wichtigsten Funktionen:
    • Ein-/Ausschalten des Roboters
    • Verbinden zum Open Roberta Lab
    • Wiederfinden von Programmen
  • Programmieren mit NEPO: Das Open Roberta Lab wird am besten für alle per Beamer sichtbar geöffnet. Es folgt eine kurze Darstellung der wichtigsten Funktionen – Blöcke verschieben, Löschen, Programm übertragen. Denkbar ist auch der Einsatz zusammen mit einem Smartboard, da das Open Roberta Lab sehr gut mit Touch-Funktion bedienbar ist.
  • „Hello World“ für Roboter: Jede Arbeitsgruppe programmiert gemeinsam ein erstes, sehr kleines, Programm, z.B. mit einer Displayausgabe „Hallo“, verbindet den Roboter mit dem Open Roberta Lab und überträgt das Programm auf den Roboter.
  • An dieser Stelle ist es wichtig, dass alle Arbeitsgruppen dieses erste Programm erstellen und erfolgreich auf den Roboter übertragen konnten.

Open Roberta - Hallo

Exploratives Lernen

Die Schüler_innen können nun erste eigene Programme schreiben, indem sie Blöcke aus der Kategorie „Aktion“ aneinanderreihen. Zu Beginn dieser Phase werden kleine Aufgaben gestellt: Der Roboter soll ein Stück wegfahren, umdrehen und zum Ausgangspunkt zurückkehren.

Open Roberta - Fahre hin und zurück
Spätestens ab hier beginnen die Schüler_innen eigene Ideen umzusetzen, z.B. das Abfahren eines Quadrates, eines Sterns oder anderer geometrische Figuren.
Open Roberta - Quadrat mit Schleife

Exploratives Lernen ist integraler Bestandteil jedes Roberta-Kurses. Es kann in fast allen Phasen eines Kurses eingesetzt werden, damit die Schüler_innen eigenständig die Möglichkeiten der Programmierung und des Roboters kennenlernen.

Vertiefungsphase

  • Einsatz von Sensoren zur Interaktion mit der Umwelt, Aufgabenstellung nach eigenen Ideen, z.B.
    • der Roboter bewegt sich per Zufall und weicht dabei Hindernissen aus,
    • der Roboter ist ein Hund und bewacht sein Grundstück, indem er Alarm schlägt (Töne von sich gibt), wenn jemand anderes (Roboter, Mensch) näher kommt,
    • der Roboter ist ein Auto und fährt eine Straße (schwarze Linie) mithilfe seines Farbsensors entlang fährt (Linienfolger).

Open Roberta - Ausweichen

Präsentationsphase: Präsentieren der Ergebnisse

Üblicherweise werden alle Ergebnisse eines Roberta-Kurses von allen Gruppen in einer Präsentation am Ende des Kurses gezeigt. Bei diesem Roberta-Kurs waren die Eltern der Schüler_innen eingeladen, die Roboter und die dazugehörende Programmierung ihrer Kinder zu bestaunen. Zwischendurch wurde das Abfahren der geometrischen Figuren der einzelnen Arbeitsgruppen in der Gruppe vorgeführt, um anschließend gemeinsam in die Vertiefungsphase zu starten.

Projektreflexion

Dieser Kurs wurde als Schnupperkurs durchgeführt, die teilnehmenden Schüler_innen meldeten sich einzeln dazu an. Die Teilnehmenden kannten sich untereinander nicht. Das macht es besonders schwer, die Schüler_innen auf ein gemeinsames Projekt in der Vertiefungsphase einzustimmen. Schön wäre es, beim nächsten Mal die Schüler_innen besser darauf vorzubereiten, indem man etwas mehr Gesprächs- und Kennenlernzeit einplant, so dass am Ende eine gemeinsame Präsentation gelingt: Das könnte eine Kettenreaktion sein, gemeinsames unfallfreies Fahren im simulierten Straßenverkehr, eine Roboterperformance (Tanz) oder ähnliches. Diese Art der Präsentation stärkt das Wir-Gefühl und die Eltern sind eher bereit, auch die Leistungen der anderen Schüler_innen anzuerkennen.

Empfehlungen

Die Erfahrungen mit (Open) Roberta zeigen, dass der Einsatz von Robotern sehr gut geeignet ist, Freude am Konstruieren und Programmieren von technischen Systemen zu wecken. Wenn Sinn und Nutzen klar sind – z.B. durch einen Bezug zum Alltag, sinnvolle Anwendungsmöglichkeiten oder berufliche Perspektiven – sind auch Mädchen und junge Frauen bereit, sich mit Technik zu beschäftigen.

Bereits in einer einzigen Schulstunde lassen sich Schüler_innen so ansprechen, dass sie Freude an Technik erfahren, Selbstvertrauen in ihre Fähigkeiten entwickeln und ihre Möglichkeiten der Gestaltung technischer Systeme entdecken. Dabei lernen sie Sensoren kennen und Roboter als Sensor-Aktor-Systeme zu begreifen. Sie statten mobile Roboter mit Motorik und Sensorik aus, programmieren sie und erfahren so die deren Funktionsweise. Die Konstruktion und Programmierung der Roboter kann grundsätzlich in Gruppen erfolgen. Die ideale Gruppengröße richtet sich dabei nach der Komplexität der Aufgabe. Üblicherweise empfiehlt es sich, anfangs in Zweiergruppen zu arbeiten.

Aufbauend auf einfachen Programmen kann das Interesse durch schnelle Erfolge gefestigt werden. Schneller Erfolg in einem Roboter-Kurs bedeutet, dass der Weg von der Idee zum Erproben wenig Zeit in Anspruch nimmt. Wenn der Zyklus Konstruktion-Programmierung-Test sehr kurz ist, merken die Schüler_innen sehr schnell, ob der Roboter sich so verhält, wie sie es erwartet haben.

Das Open Roberta Wiki beinhaltet eine Erläuterung zu allen NEPO-Blöcken, die im Beginner-Modus verfügbar sind. Das Wiki wird zudem ständig erweitert. Es bietet zudem einige Beispielprogramme, die den Einstieg in die Programmierung mit dem Open Roberta Lab erleichtern.

Es wird empfohlen, erste Programmierschritte mit der 2D-Simulationsumgebung zu testen. Die hiermit getesteten Programme können anschließend einfach nachprogrammiert und auf einen realen Roboter übertragen werden. Blöcke und Funktionsweise sind in Simulation und auf EV3-Roboter identisch.

Durch die Teilnahme an einer Roberta-Schulung und die damit verbundene Zertifizierung zum Roberta-Teacher erhalten Sie einen umfassenden Einblick in die Vorgehensweise und das Konzept von Roberta.

Weitere Informationen

Video: Open Roberta Summary

Autoren

Beate Jost, Fraunhofer IAIS

Beate Jost studierte Informatik und arbeitet seit 2009 als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer Institut IAIS. Sie leitet dort die technischen Weiterentwicklungen im Projekt Roberta. Als Roberta Coach gibt sie Roberta Teacher Trainings, Schulungen für Lehrer, und Roberta Kurse für Kinder in verschiedenen Schwierigkeitsgraden und Programmiersprachen.
http://roberta-home.de/de/users/beate-jost

Thorsten Leimbach, Fraunhofer IAIS
Thorsten Leimbach erhielt seinen Master-Abschluss in Betriebswirtschaft an der RWTH Aachen. Er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Media Engineering am Fraunhofer IAIS und Leiter der europaweiten Initiative „Roberta – Lernen mit Robotern“. Zudem ist er verantwortlich für die strategische Projektentwicklung und Akquisitionen auf dem Gebiet der Bildungsrobotik am Fraunhofer IAIS.