Robotik/BeeBot

Warum und wozu überhaupt?

Wir wollen nicht, dass Menschen passiv zu Konsumenten werden, sondern dass sie aktiv ihre Welt gestalten. Deshalb war es für die Demokratie wichtig, dass Menschen schreiben lernen, um sich anderen mitzuteilen. Wir denken, dass die Fähigkeit, zu programmieren, genauso wie die Fähigkeit zu schreiben für die Menschen wichtig ist, und so die Demokratie unterstützt, da sie uns aus der Rolle der Konsumenten, die in Blackboxsystemen gefangen sind, heraushebt und zu aktiven Gestaltern macht.

Wer wagt so gewaltige Worte? Einmal eine noch kleine Gruppe von Visionären wie Peter Meffert und Dr. Stephan Balk in Deutschland, Alois Bachinger und Ingrid Ebner in Österreich, aber auch Mitchel Resnick, Professor of Learning Research.

Bildungsstandards

Die Informatik an der Grundschule ist noch nicht geboren worden. Aber wir sind fortschrittlich, denn die Bildungsstandards der Mathematik können auch in Informatik alle verwirklicht werden, nur eben mit anderen Methoden. Es gibt Befürworter für die Einführung des Faches Informatik an der Grundschule, z.B.:

• Gesche Joost
• Prof. Juraj Hromkovic
• Beat Doebeli Honegger
• Ave Lauringson
• phbern.ch Robotik

in dem letzten Link gibt es die Lernziele für die jüngeren Schüler bis zur zweiten Klasse:

Ich kenne Geräte, die mit Strom funktionieren und mittels ICT programmiert werden können.

Ich kenne den Nutzen alltäglicherTechnologie und verstehe wozu man diese pro-grammieren kann.

Ich kann einzelne Befehle aufzählen und korrekt in einen Roboter eingeben.

Ich kann Anleitungen für den Roboter schriftlich festhalten.

Ich kann eine Abfolge von Befehlen in einen Roboter eingeben, so dass dieser an einen vorher bestimmten Punkt gelangt.

Ich kann bekannte Abläufe analysieren und kombinieren und daraus neue Abläufe ableiten.

Ich kann Winkel und Distanzen messen und diese in den Roboter eingeben.

und für die älteren Schüler:

Ich kann eine Abfolge von Befehlen in einen Roboter eingeben, so dass dieser eine vorgegebene Form nachzeichnet.

Ich kann eine eigene Liste mit Befehlen schreiben, um eine bestimmte Form zu zeichnen.

Ich kann bei Bedarf die „Wiederholen“-Funktion gezielt einsetzen.

Ich weiß, was eine Prozedur ist und kann eigene Prozeduren speichern.

Ich kann Sensoren nutzen, um Prozeduren auszulösen

Die Kategorien der Vorlage:Pdf-extern, die von der Kultusministerkonferenz am 15.10.2004 verabschiedet wurden, seien hier noch einmal aufgelistet, in Klammern ist jeweils eine mögliche methodische Umsetzung durch einen programmierbaren Roboter angegeben:

Zahlen und Operationen

• Zahldarstellungen und Zahlbeziehungen verstehen
• Rechenoperationen verstehen und beherrschen

(Bee-Bot geht vorwärts bedeutet addieren, entsprechende Anzahl rückwärts gehen bedeutet, diese Anzahl subtrahieren. Insgesamt ist er dann (vorwärtszahl-rückwärtszahl) vorwärts gegangen).

• in Kontexten rechnen

Raum und Form

• sich im Raum orientieren

(Indem man den Roboter an eine bestimmte Stelle im Koordinatengitter steuert, übt man das räumliche Vorstellungsvermögen und den Perspektivenwechsel)

• geometrische Figuren erkennen, benennen und darstellen

(mit dem Pro-Bot können Figuren auf Papier programmiert gezeichnet werden. Erklärung der Funktionen des Pro-Bots gibt es auf Pro-Bot Beschreibung )

• einfache geometrische Abbildungen erkennen, benennen und darstellen

(die Umkehrung der Befehle links und Rechts ergibt eine Spiegelung für den Roboter. Die Umkehrung der Reihenfolge der Befehle eine Punktsymmetrie)

• Flächen- und Rauminhalte vergleichen und messen

Muster und Strukturen

• Gesetzmäßigkeiten erkennen, beschreiben und darstellen

(siehe "Entdeckendes Lernen" im Abschnitt Didaktik)

• funktionale Beziehungen erkennen, beschreiben und darstellen

(mit Hilfe von Sensoren mit dem Pro-Bot möglich durch bedingte Reaktion als Funktion der Sensordaten)

Größen und Messen

• Größenvorstellungen besitzen

(der Bee-Bot soll einen Stuhl umkreisen. Die Schrittzahl ist jeweils die Maßzahl für die Längenmessung, die Schrittweite (hier 15cm für den Bee-Bot) ist die Größe)

• mit Größen in Sachsituationen umgehen

(Wie viele Gartenplatten benötigt man, um ein rechteckiges Gebiet von ... Bee-Bot-Quadraten Fläche einzufassen?)

Daten, Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit

• Daten erfassen und darstellen

(Anzahl der Möglichkeiten, um im Gitter von A nach B zu kommen, und Wahrscheinlichkeit, auf den gewählten Weg zu tippen)

• Wahrscheinlichkeiten von Ereignissen in Zufallsexperimenten vergleichen

(Pseudo-Zufallsgeneratoren in Scratch-Simulationen für den Bee-Bot)

Didaktik

Eine elementare Form der Informatik lässt sich kindgerecht am besten mit einem leicht zu handhabenden, sofort einsetzbaren und programmierbaren Roboter verwirklichen. Im Moment erfüllt der Bee-Bot diese Bedingungen am ehesten. Gleich vorweg: keiner von uns hat einen Vertrag mit Bee-Bot oder irgendwelche Vorteile von der Bevorzugung dieses Lernmediums.

Der Bee-Bot besitzt Knopfe auf seinem Rücken, mit dem er sich ganz leicht programmieren lässt: Man drückt z.B. "vorwärts, rechts, vorwärts, links, vorwärts" und startet ihn mit der Taste "Go". Sofort bewegt er sich nach vorn, macht dann eine 90 Grad-Drehung nach rechts, fährt wieder ein Stück, macht eine 90 Grad-Drehung nach links und fährt noch ein Stück. Vielleicht ist das noch zu einfach für die erste Klasse, aber wir wollen, dass jeder Schüler mitkommt. Differenzierung ist ohne Probleme möglich, es gibt jede Menge Möglichkeiten, schwierigere Szenarien zu erstellen ( s.u. ) aber die richtigen Materialien dafür zu entwickeln ist nicht ohne; wir arbeiten im Moment daran.

Entdeckendes Lernen

Geben Sie Schülergruppen aus jeweils vier Schülern einen Bee-Bot in die Hand und lassen Sie sie ihn erforschen, mit dem Auftrag herauszufinden, was die einzelnen Tasten bewirken. Sie werden sich wundern, wie schnell sämtliche Funktionen ermittelt sind. Diese Funktionen auch zu notieren und anderen mitzuteilen, ist anspruchsvoller, aber ebenfalls sinnvoll.

Probleme lösen

In vorgegebenen Szenarien können Schüler eine Zielvorgabe erfüllen, dabei sollten die Aufgaben zunächst einfach, dann immer umfassender werden.

Zusammenarbeit

Wenn man die Befehle in der Reihenfolge aufschreibt, hat man schon sein erstes Programm geschrieben; dieses kann man einem Mitschüler geben, der es an seinem Bee-Bot gleichermaßen eingeben und ausführen kann. Aber auch der Weg dorthin ist, wenn man ihn offen gestaltet, gewinnbringend, denn die Schüler müssen sich über ein entsprechendes Protokoll einigen, wie das Programm aufgeschrieben werden soll. Viele Szenarien sind möglich, in denen Schüler sich miteinander verständigen müssen, um eine Aufgabe zu lösen.

Schüler für Schüler

Die älteren Schüler können Materialien für die jüngeren Schüler erstellen. Hier kommen insbesondere Problemlöse-Szenarien in Frage. Aber auch für die Beauftragung der älteren Schüler in dieser Richtung bedarf es guter Materialien, die vorbereitet werden müssen. Auch hier sind wir noch im Arbeitsprozeß.

Transparenz

Wie im Bereich "FMS-Logo" des Abschnitts "Methoden" weiter unten genauer erläutert, wollen wir "dem Computer auf die Finger schauen". Das, was der Computer macht, ist eigentlich sehr einfach. Nur, er macht es so schnell, dass wir es meistens nicht nachvollziehen können. Dem entgegenzuwirken, ist ein wesentliches Lernziel. Also ist die Konsequenz: Schritt für Schritt alles sichtbar machen. Am besten sogar mit Pausen.

Unterrichtsmaterial

In jedem Fall sollten Sie sich die erstklassigen Seiten von Alois Bachinger ansehen, der in Österreich einen Workshop zu Bee-Bots erstellt hat:

• Workshop Bee-Bots ibach

Seine Didaktik hat auch die Zielsetzung: Strukturieren - analysieren - Strategien aufbauen Denken lernen - Probleme lösen

Wir haben unsere gegenseitige Zusammenarbeit schon beschlossen, aber noch gibt es viele andere Dinge, die wir bis dahin noch erledigen müssen.

1. und 2. Klasse

In

• Studio: Bee-Bot mit Scratch

finden Sie insbesondere das Programm

• Bee-Bot schiebt Blöcke

bei dem der Bee-Bot Eisblöcke auf einen freien Platz verschieben kann, der Bee-Bot hat in dieser Simulation die Programmierungstasten auf seinem Rücken, also genau so wie es der echte auch hat.

Es gibt bis jetzt noch keine anderen, für alle frei verfügbaren Simulationen für den Bee-Bot, bei dem das auch der Fall ist.

Am besten, Sie benutzen Scratch-Szenarien im Vollbildmodus.

Eine für Apple-Nutzer verfügbare App gibt es jedoch:

• Bee-Bot als App für Apple, wobei aber nicht jeder einen Apple hat und zum Anderen die nicht-veränderbare Aufgabenstellung genau 12 Problemlösungen bereithält. Für flexiblere und an die Wünsche der Schüler angepasste Aufgaben ist eben jenes Studio in Scratch vorgesehen.

FMS-Logo

Die Seite logo-spielplatz.de bietet eine Einführung in eine kindgerechte Programmierung, die sich Seymour Papert, ein Mathematiker und Psychologe, für seine eigenen Kinder 1968 hat einfallen lassen. Diese Programmiersprache ist in seiner Einfachheit gleichzeitigen Leistungsfähigkeit bis heute unübertroffen.

Insbesondere der "Igel", der bei der Bewegung wie eine Spinne ihren Faden hinterläßt, wird durch die Schaltzentralen ( hier geeignet: die für die Grundschule, programmiert von Peter Meffert ) effektiv und klar verdeutlicht. Das "dem Computer auf die Finger schauen"-Prinzip, also das schrittweise Nachvollziehen jeder einzelnen Aktion, ist die Verwirklichung des Gegenteils zur "Black-box". Leider wird in vielen Systemen alles mögliche versteckt, auch die Diskussion um Datenschutz hat hier ihren Platz, die Black-box solcher Fertigsysteme hat viele Gefahren. Dem entgegenzuwirken ist einer unserer pädagogischen Aufträge: Den Schülern Mittel in die Hand zu geben, den Dingen auf den Grund zu gehen und sie bis zum Boden transparent zu machen. Oder, wenn dies nicht funktioniert, sich eben selbst eigene Dinge zu erschaffen, bei denen das möglich ist. Das ist auch eine Möglichkeit, sich der Manipulation zu entziehen und kritisch und demokratisch handeln zu können. Abgeleitet von LOGO ist auch die Berner "KTurtle"-Graphik, bei der eine Schildkröte malt, auch hier sind alle Programmierbefehle in Deutsch.

Für LOGO in der Grundschule votiert auch

• Jleupold1,
• Jleupold2 in ZUM.

Scratch und Hopscotch

Dafür sind die meisten Schüler in dieser Altersstufe noch zu jung. Lieber erst alle Schüler mit kleinen Dingen richtig umgehen lassen, als nur den stärksten eine Chance geben.

Neuerdings gibt es eine Version ScratchJr als app für Apple und Android Tablets, die mindestens 7 Zoll groß sind (Android 4.4 (Kit-Kat)und höher), nämlich ScratchJr, konstruiert für Schüler im Alter von 5 bis 7 Jahre:

• Scratch_Jr

oder direkt die Android-Version:

• ScratchJr_Android

Lego-Roboter

Die Lego-Roboter verfügen über einen riesigen Satz an Prorammierungsmöglichkeiten, sind aber im Gegensatz zum Bee-Bot nicht direkt einsetzbar und ihr Vorteil, dass sie immer neu aufbaubar sind, hat auch den Nachteil, dass man evtl. sehr viele Teile hat, die vom fertigen roboter wieder demontiert werden und von denen die meisten nicht mehr wissen, wozu sie gehören oder letzen Endes fehlen; wer möchte die Bastel- und Aufräumarbeit übernehmen, die zu ihrer Verwendung jedes Mal nötig ist?

3. und 4. Klasse

Kennen sich die Schüler mit dem Bee-Bot aus, können sie die Erweiterung, den "Pro-Bot" mit seinen Sensoren und der erweiterten Programmierung nutzen. Dabei werden die Konzepte "Wiederhole-Schleife" "etwas tun nur unter einer Bedingung" und "Ich spüre etwas (Sensoren)" gelernt. Der Pro-Bot kann auch einen Stift in seiner Mitte halten und sanft auf die Unterlage drücken. Dadurch lässt sich eine Zeichnung programmieren. Dadurch, dass auch sehr kleine Winkel und Fahrtstrecken machbar sind lassen sich auch Buchstaben und geometrische Muster zeichnen.

FMS-Logo

Wie bei der ersten und zweiten Klasse beschrieben, sind unter logo-spielplatz.de die Schaltzentralen je nach Alter gestaffelt erhältlich, mit denen die Grundzüge der LOGO erlernt werden können.

Scratch und Hopscotch

Das MIT bietet Werkzeuge an, die sich gut für unsere Zwecke eignen, für die Grundschule ab der 3. Klasse bis zum 8. Schuljahr sind dies Scratch, Scratch und für die Programmierung eigener Apps auf Smartphones gibt es ( etwa ab der 8. Klasse ) den appinventor.

Hopscotch ist auch nicht schlecht, aber Scratch hat viele Vorteile.

Lego ab der vierten Klasse könnten Legosysteme wie "Lego-Wedo" und die etwas teuren "Mindstorms" zum Einsatz kommen, wenn man über genügend Platz zum Lagern und Aufräumen verfügt, ebenso wie die ROBO-TX-Reihe von Fischertechnik.

Methoden

Die Methoden sind von Jahr zu Jahr unterschiedlich und müssen daher differenziert aufgelistet werden.

1. Schuljahr: Das spielerische Erfassen von Vorgängen, das Zeigen und Nachmachen sind die wesentlichen primären Methoden.

Angegliedert das Zählen, vor allem vorwärts, dazu fährt der Bee-Bot dann auf einer Zahlen-Matte, man kann die Zahl immer mitsprechen, wenn er auf einem Zahlenfeld angekommen ist und auch mitzählen beim "Programmieren", d.h. wie oft man auf die Vorwärts-Taste drückt, bevor man den Bee-Bot startet. Am Fußgängerweg muss man stehen bleiben und besonders aufpassen. Normalerweise halten Autos vor dem Zebrastreifen, der Bee-Bot kann das auch mit seiner "Warte-Taste", je öfter man sie drückt, um so länger wartet er. Aber man kann auch sehen, was passiert, wenn an einer Kreuzung zwei Bee-Bots auf Kollisionskurs sind und nicht aufeinander warten! Die Vorstellung, man würde sich mit dem Bee-Bot bewegen, hilft, vom Startpunkt zum Zielpunkt auf einem 6x6-Feld zu gelangen. Die Schüler legen ihre "Wohnungsblume", diese vorher selbst gemalt, auf einen Rasterplan, und der Bee-Bot muss so programmiert werden, dass er von Wohnung zu Wohnung fährt. Hindernisse in Form von dicken Eispackungen machen einige Felder unbefahrbar, sie müssen die Hindernisse einplanen.

Das Quadrat wird in einfacher Form durch die Aufgabe "Um einen Stuhl mit dem Bee-Bot herumfahren" kennen gelernt.

2. Schuljahr: Die Schüler können sich gegenseitig Aufgaben stellen, indem Sie ein Startfeld und ein Zielfeld auf einem

Rasterplan markieren, auf dem der Bee-Bot fahren wird. Dazu legen sie Hindernisse in Form von Stiften auf die Feldränder, die nicht überfahren werden dürfen. Das Ganze wird sowohl auf dem Papier als auch in der Realität umgesetzt.

Das "Minus-Rechnen", d.h. die Subtraktion ist mit dem Bee-Bot sehr einfach zu verstehen: fährt von der 0 erst einmal nach vorn ( z.B. auf die 4 ), und danach wieder ( z.B. 2 mal ) rückwärts, dann steht er auf dem Ergebnis ( hier: 4-2=2 ). Die Schüler werden selbst auf einem Plan mit großen Feldern schrittweise vorwärts und rückwärts gehen, um das Verständnis der Subtraktion zu verstehen.

Der Bee-Bot kann als "Kehrmaschine" eingesetzt werden, um ein 6*6-Feld von Gegenständen spiralförmig von innen heraus zu befreien.

3. Wie auf S. 16 von kann die Multiplikation auch kombinatorisch verstanden werden, z.B. können die Schüler zählen, wie viele Wege es auf einem quadratischen Raster gibt, von A ( links unten ) nach B ( rechts oben ) über einen Zwischenpunkt ( Blume, hier als Raststätte für die Biene ) Z zu kommen. Gibt es z.B. 2 Wege, von A nach Z zu kommen, und 3 Wege, von Z nach B zu kommen, so gibt es 2*3=6 verschiedene Wege.

Bring-Aufgaben erledigen: Der Bee-Bot soll die Socken in das Badezimmer bringen. Dazu schiebt er sie vor sich her, aber die Schüler lernen, dass man so nicht Kurven fahren kann, da man die Socke nur immer nach vorn schiebt. So muss man, um sie nach links zu bekommen, rechts neben die Socke fahren und sich dann nach links drehen und dann erst geradeaus fahren. Die Unterteilung einer großen Aufgabe in einzelne kleinere Aufgaben ist daher eine wichtige Problemlösestrategie, die man mit den Schülern sogar reflektieren kann.

Verschiebe-Aufgaben erledigen: Ein Eisblock kann verschoben werden, aber nicht zwei Eisblöcke hintereinander. Hier empfiehlt es sich, die Scratch-Simulationen ( siehe oben ) im Computerraum von den Schülern durchspielen zu lassen.

4. Schüler erfinden Bee-Bot Aufgaben für ihre Mitschüler aus der 2. Klasse. Sie zeichnen sich verantwortlich für ihre Aufgabe, indem sie

ihren Namen auf ihr Aufgabenblatt schreiben. Sie helfen sich gegenseitig bei schwierigeren Aufgaben, wie z.B. kompliziertere Multiplikationsaufgaben kombinatorisch verstanden, z.B. bei der Aufzeichnung von 6*6=36 verschiedenen Wegen von A nach B über die Zwischenstation Z. Sie erfinden neue Aktionen und Ereignisse, die auf dem Papier stattfinden, wenn der Bee-Bot eine Aufgabe auf dem Rasterplan auf dem Din-A4-Blatt erledigen soll, z.B. kamen sie auf Vulkanausbrüche, wo man weggeschleudert wird, Explosionen, Fähren über einen sonst nicht passierbaren Fluss, Teleport-Wirbel, wo man eingesaugt und an anderer Stelle wieder ausgespuckt wird.

Sie lernen, gegenseitige Interessen gegeneinander abzuwägen und rücksichtsvoll zu planen, indem sie gleichzeitig zwei Bee-Bots auf dem selben Plan fahren lassen, aber Rücksicht aufeinander nehmen müssen, um nicht gegeneinander zu stoßen. Hierfür Pläne mit wenigen Feldern sinnvoll, bei denen Bee-Bot1 von A nach B und Bee-Bot2 von B nach A reisen muss, wobei dann noch jeder etwas zu trinken bei T und zu essen bei E holen muss. Im Detail: 8 Felder, dabei 6 Felder wie auf einem Schachbrett von A2 nach F2, mit A auf A2 und B auf F2, dazu noch E auf C3 und T auf E1. Als Bild ist das dann ganz einfach zu sehen, als Text natürlich fast unverständlich. Da muss auf jeden Fall noch ein Bild hier hin zur Erklärung.

Sie begreifen die Programmiersprache LOGO als praktisches Instrument, um Spielpläne für den Bee-Bot zu zeichnen und können Programmierung, die sie am Bee-Bot gelernt haben, direkt umsetzen. Sie lernen neue Probleme kennen, z.B. dass es langweilig ist, einen an sich gleichen Vorgang 10 mal hintereinander einzugeben und begreifen so die Nützlichkeit einer Wiederholeschleife. Mit dem Pro-Bot können sie die Reaktion auf ein Anstoßen gegen ein Hindernis über Sensoren erlernen, so dass einfache Wenn-Dann-Beziehungen begreifbar werden, die die dann wiederum mit LOGO verfeinern können, so dass schöne Muster wie Blumen, Mandalas usw. darauf programmiert werden können. Der Pro-Bot kann auch einen Stift in seiner Mitte aufnehmen, so dass auf einem Papier entsprechend programmierte Muster gezeichnet werden können. Entsprechend programmierte Buchstaben können von den Schülern der 4. Klasse für Schüler der 1. Klasse vorgeführt werden.

Ich habe nun schon einiges hier eingetragen, es ist aber noch nicht vollständig, es fehlen noch viele Bilder zur Veranschaulichung.

Z.B. sollte die englische Anleitung ( Pro-Bot Beschreibung ) auch ins Deutsche übertragen werden.

Machen Sie mit! DrStephanBalk (Diskussion) 15:51, 14. Jun. 2015 (CEST)

Hat mal jemand über den Tellerrand geschaut, was in anderen Ländern gemacht wird?