Ob Algorithmik und Robotik im Informatikunterricht, Messwerterfassung in der Physik oder fächerverbindende Unterrichtsprojekte zwischen Kunst, Informatik und Physik - der RCX-Baustein von LEGO ist vielseitig verwendbar. Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) wurden in Kooperation mit LEGO von Seymour A. Pappert die Mindstorms Roboter entwickelt. Das Herz (und das Hirn) dieser Roboter bildet der programmierbare RCX-Baustein ("Robotics Command Explorer"), ein in einem LEGO-Stein eingebetteter Mini-Computer. Der Prozessor kann durch entsprechende Software am Rechner programmiert und das Programm durch eine Infrarot-Schnittstelle an den Baustein übermittelt werden. An den Baustein können Sensoren und Motoren angeschlossen werden, die es ermöglichen, einen beweglichen, selbstgesteuerten Roboter zu entwerfen. Ergebnisse oder Fehler bei der Programmierung des Roboters werden durch den einfachen, praktischen Test sofort sichtbar.

Robotik und Energie lassen sich mit LEGO Mindstorms NXT und LEGO Education spielerisch entdecken und begreifen. Energie ist als nicht greifbarer Gegenstand ein schwer verständliches und schwer zu vermittelndes Thema. Mithilfe des LEGO Education Energie Sets führen Schülerinnen und Schüler unterschiedliche Experimente durch, um Energie begreifen zu können. Darauf aufbauend können die Lernenden mithilfe von LEGO Mindstorms NXT selbst Roboter konstruieren. In Gruppenarbeit planen sie selbstständig die Vorgehensweise und bereiten ihre Ergebnisse strukturiert auf. Dieser Erfahrungsbericht aus zwei Workshops mit Schülerinnen und Schülern stellt Möglichkeiten zum Einsatz im Unterricht vor. Geeignet sind die vorgestellten LEGO-Sets für den Informatikunterricht ab der Sekundarstufe I.

Dieser Fachartikel stellt das Roberta-Projekt vor, welches unter dem Motto "Mädchen erobern Roboter" bei Mädchen und jungen Frauen mithilfe eines ganz besonderen LEGO-Bausteins Interesse für Technik, Naturwissenschaften und Informatik weckt und das Verständnis für technische Systeme fördert. Im Informatikunterricht der Sekundarstufe I ist es immer wieder eine Herausforderung, Themengebiete zu erarbeiten, die den inhaltlichen Anforderungen des Informatikunterrichts entsprechen, die die Interessen der Lernenden befriedigen, eine handlungsorientierte Auseinandersetzung mit einem theoretischen Problem ermöglichen und sich technisch einfach umsetzen lassen. Roberta, ein Projekt des Fraunhofer-Instituts für Intelligente Analyse- Informationssysteme (IAIS) in Sankt Augustin bei Bonn, bietet diese Möglichkeiten und spricht dabei ganz gezielt Schülerinnen an.

Eine Förderung begabter und an MINT-Fächern interessierter Schülerinnen und Schüler gelingt besonders gut, wenn die Interessensgebiete des jeweiligen Kindes und Jugendlichen berücksichtigt werden. Hier bietet der bundesweite Wettbewerb "Jugend forscht / Schüler experimentieren" vielfältige Möglichkeiten."Jugend forscht" ist ein bundesweiter Nachwuchsforscher-Wettbewerb, der besondere Leistungen und Begabungen im MINT-Bereich fördert. Teilnehmen können Kinder ab der vierten Grundschulklasse. Die obere Altersgrenze liegt bei 21 Jahren, wobei der 31. Dezember des Anmeldejahres als Stichtag gilt. Teilnehmende, die zu diesem Stichtag 14 Jahre alt oder jünger sind, nehmen an der Juniorsparte "Schüler experimentieren" teil. Die Schülerinnen und Schüler können sowohl alleine als auch in Gruppen bis drei Personen teilnehmen. Teilnahme am Wettbewerb Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer formulieren selbst eine Forschungsfrage, die aus den folgenden Teilbereichen kommen kann: Arbeitswelt (hierzu gehören auch Projekte rund um die Schule), Biologie, Chemie, Geo- und Raumwissenschaften, Mathematik / Informatik, Physik sowie Technik. Die selbst gestellte Forschungsfrage muss mit naturwissenschaftlichen Forschungsmethoden untersucht werden. Die Ergebnisse werden in einer kurzen Facharbeit (maximal 15 Seiten) dargestellt und beim Wettbewerb einer Fachjury und der Öffentlichkeit präsentiert. Der Anmeldeschluss für die jeweils nächste Wettbewerbsrunde ist der 30. November. Ausführliche Informationen und Anmeldung finden Sie unter www.jugend-forscht.de . Anforderungen an die Schülerinnen und Schüler Die eigenständige Durchführung eines Forschungsprojekts erfordert von den Teilnehmenden viel Durchhaltevermögen. Es zeigt sich, dass auch begabte Schülerinnen und Schüler, die sonst ein geringes Durchhaltevermögen und eine geringe Frustrationstoleranz aufweisen, von solchen Projekten profitieren. Weiterhin müssen die Jungforscherinnen und -forscher in der Lage sein, ohne ständige Kontrolle der Lehrkraft zielorientiert zu arbeiten. Bei Projektarbeiten in Gruppen ist die Zuverlässigkeit aller Gruppenmitglieder eine weitere zentrale Anforderung. Beim Festlegen des Projekt-Themas und dessen Umfang müssen die zeitlichen Möglichkeiten der Teilnehmenden berücksichtigt werden. Sind ausreichend Grundkenntnisse im gewählten Forschungsgebiet vorhanden, ist fehlendes Vorwissen in Teilbereichen kein Hindernis, denn dieses können sich die Lernenden, unterstützt durch ihre Betreuerin beziehungsweise ihren Betreuer, in vielen Fällen selbst aneignen. Kompetenzerwerb Folgende Kompetenzen können die Schülerinnen und Schüler durch ihr Forschungsprojekt und die Teilnahme am Wettbewerb erlangen: Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erlangen Fachkenntnis im jeweiligen Forschungsthema. nutzen verschiedene digitale und analoge Recherchequellen. lernen den Aufbau einer Facharbeit kennen. führen wissenschaftlich fundierte Versuche durch und dokumentieren diese. stellen ihre Arbeit in Form einer Präsentation dar. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen eine Online-Recherche nach wissenschaftlich fundiertem Material durch und erlernen den Umgang mit Quellen (Eignung, Verfasser, Quellenangaben). präsentieren ihre Ergebnisse in analoger Form (zum Beispiel mit Plakaten) oder digitaler Form (zum Beispiel mit PowerPoint-Präsentationen). erlernen je nach Thema zusätzlich den Umgang mit Fachprogrammen und Programmiersprachen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verbessern ihr Zeitmanagement durch die Planung und Realisierung der Projektschritte. steigern ihre Kooperationsfähigkeit bei Projekten in Teamarbeit. stärken die Kommunikations- und Präsentationsfähigkeit bei der Vorstellung der Ergebnisse vor einer Fachjury und der Öffentlichkeit. steigern ihr Selbstbewusstsein durch das Erreichen der selbst gesetzten Ziele und die Anerkennung im Wettbewerb. Beispiele für Forschungsprojekte aus dem Bereich Mathematik / Informatik Im Folgenden werden beispielhaft einige Projekte vorgestellt, die sich für den Landeswettbewerb "Schüler experimentieren Baden-Württemberg 2017" qualifiziert hatten: 1. Projekte rund um Lego Mindstorms Roboter Die Programmierung dieser Roboter ermöglicht den Schülerinnen und Schülern einen einfachen Zugang zur Roboter-Programmierung. Zugleich lassen sich durch den Einsatz verschiedener Sensoren auch aufwendige Projekte realisieren. So entwickelte eine Gruppe Elf- und Zwölfjähriger einen Roboter, der mithilfe handelsüblicher Filzstifte auf einfache Papierrollen für Kassen schreiben kann. Dabei ging es vor allem um die Konstruktion der Stifthaltung und die Programmierung der feinen Bewegungsabläufe. 2. Projekte mit Scratch Die pädagogisch orientierte Programmiersprache Scratch ist vor allem für Einsteiger interessant. Über entsprechende Ergänzungen können mit ihr auch Programme zum Auslesen von Sensoren entwickelt werden. Mithilfe eines günstigen Mikrocontrollers ist zudem die Steuerung von Bewegungen eines Roboters möglich. Beispiel aus dem Wettbewerb ist die Programmierung einer virtuellen Hand durch eine 14-Jährige: Über Sensoren an einem Handschuh wird dabei mithilfe von Scratch eine Roboterhand gesteuert. 3. Programmierung mit Python Bei vielen Projekten kommt heute die Programmiersprache Python zum Einsatz. Sie gilt laut einiger Anleitungen zwar als relativ leicht erlernbar, erfordert aber einen höheren Lernaufwand als beispielsweise Scratch. Projektbeispiel ist der "O.M.A - Oma Monitoring Alarm", den zwei 14-Jährige entwickelten: Er überwacht mit mehreren Sensoren Abweichungen vom Tagesablauf der Senioren und kann Familienangehörige bei ungewöhnlichen Veränderungen rechtzeitig warnen. Verstärkter PC-Einsatz in anderen Fachgebieten Beispiele aus dem Bereich Arbeitswelt statistische Untersuchung des Schulranzen-Gewichts von Schülerinnen und Schülern und Analyse der Auswirkung auf die Kinder Bau eines Mörtel-3D-Druckers der automatisch gesteuerte Hühnerstall Beispiele aus dem Bereich Technik die Behinderten-Parkplatzhilfe, die automatisch das Kennzeichen prüft, ob eine Parkberechtigung vorliegt das intelligente Fahrrad-Schloss, das man per App steuern kann Aufgaben des Projektbetreuers im Verlauf des Wettbewerbs Die Teilnahme am Wettbewerb stellt für die Lernenden eine große Bereicherung, aber zugleich eine besondere Herausforderung dar. Besonders wichtig sind deshalb Projektbetreuerinnen und -betreuer, die die Arbeiten begleiten und beratend und motivierend zur Seite stehen. Dabei ist zu beachten, dass bei der Jurybewertung die Eigenleistung der Teilnehmenden im Mittelpunkt steht, weshalb die Betreuenden keine Lösungen vorgeben sollten. Unterstützung bei der Themenfindung Es geht nicht darum, den Jungforscherinnen und -forschern ein genaues Thema vorzugeben. Vielmehr sollen ihnen Wege aufgezeigt werden, die zu einer spannenden Forschungsfrage führen. Formulieren der Forschungsziele Gemeinsam mit den Teilnehmenden gilt es, nach der Themenbestimmung festzulegen, was die Jungforscherinnen und -forscher im Detail herausfinden wollen. In dieser Phase gilt es auch, das benötigte Material zu bestimmen und zu klären, wo geforscht werden kann (beispielsweise im Schullabor). Facharbeit und Präsentation Beim Erstellen der Facharbeit und Präsentation können die Betreuenden die Schülerinnen und Schüler in Sachen Aufbau und Strukturierung beraten und als Lektorin oder Lektor zur Verfügung stehen. Fazit Der Wettbewerb "Jugend forscht / Schüler experimentieren" bietet begabten und an MINT-Fächern interessierten Kindern und Jugendlichen vielfältige Entfaltungsmöglichkeiten. Unabhängig von einem Gewinn erfahren die Teilnehmerinnen und Teilnehmer viel Anerkennung für ihre Arbeit. Für Lehrkräfte ist der Einsatz als Projektbetreuerin oder Projektbetreuer zwar zeitlich aufwendig, bringt diese aber auch persönlich weiter. Ergänzungen zum Autor Birger-Daniel Grein gewann als Teilnehmer von "Schüler experimentieren" im Bereich Mathematik / Informatik selbst einen Sonderpreis. Die bisher von ihm betreuten Teams (Fachbereich Arbeitswelt 2016 und Chemie 2017) wurden jeweils Regionalsieger und erhielten Sonderpreise im Landeswettbewerb "Schüler experimentieren Baden-Württemberg".

In diesem Fachartikel zum Thema "Unterrichtsgestaltung mit Programmierung und Robotik" geben Lehrbeauftragte Tipps, wie sie Schülerinnen und Schüler zum Coden motivieren. Um das Programmieren für Kinder schmackhaft zu machen, braucht es spannende Projekte und viel Zeit. Der Artikel stellt Ideen vor, die über den Bau der obligatorischen Homepage hinausgehen. Die Covid-Pandemie treibt die Digitalisierung mit Wucht voran. Alle Lebensbereiche, auch die Schule, weichen derzeit auf das Virtuelle aus, Online-Unterricht mit Teams und Zoom ist in aller Munde. Lernen ist dabei allerdings nur ein Teil der digitalen Realität der Schülerinnen und Schüler – und oft der Kleinere. Dazu kommen YouTube, TikTok, Fortnite, WhatsApp und viele andere virtuelle Vergnügungs- und Begegnungsstätten. Gut, wer sich jetzt ein wenig damit auskennt und auch die Gefahren einschätzen kann, Stichwort Digitale Kompetenz . "Warum zeigt YouTube mir und nicht meinen Freunden dieses Video? Oh, andere kauften auch gleich diese Produkte? Und warum in aller Welt verbringe ich meine Tage damit, Handyfotos zu liken?" Wir leben in einer zunehmend komplexen Welt und wer hinter die Kulissen schauen kann, versteht eher, was vor sich geht – und wann er oder sie manipuliert wird. Programmieren – plötzlich Teamsport Einer der besten Wege, hinter den digitalen Vorhang zu schauen, ist sich mit dem Thema Programmieren zu beschäftigen. Für die älteren Schülerinnen und Schüler in der Berufsfindungsphase sind sicherlich zusätzlich die guten Berufsaussichten in der Softwareentwicklung von Interesse. Die geburtenstarken Jahrgänge gehen nach und nach in Rente und der Fachkräftemangel in der IT verschärft sich. Erfreulicherweise hat sich das Berufsbild des Programmierers und der Programmiererin in den letzten Jahren gewandelt, und ist dank agiler Methoden wie Scrum inzwischen ein Teamsport geworden. Gute Gründe also, sich auch in der Schule mit dem Thema Programmieren zu beschäftigen – was ja auch längst passiert. Über das Wie scheiden sich allerdings noch die Geister. Visuelles Programmieren: Scratch & Co. Von außen gesehen erscheint das Thema Programmieren zunächst einmal zu groß, um es in wenigen Schulstunden pro Woche adäquat lehren und lernen zu können. Genauso gut könnte man versuchen, Medizin als Schulfach einzuführen. Es gilt also, zumindest bei jüngeren Schülerinnen und Schülern erstmal zu abstrahieren und die Zeitfresser Quellcode und Syntax außen vor zu lassen. In den letzten Jahren sind dazu "bildungsorientierte visuelle Programmiersprachen" wie Scratch oder Open Roberta erschienen, die mit allerhand bunter Grafik den Einstieg erleichtern und grundlegende Konzepte wie Verzweigungen oder Wiederholungen sehr gut ohne Quellcode vermitteln. Einstieg in die Robotik Ganz ähnlich funktionieren die Mindstorm-Baukästen von Lego. Auch hier lassen sich grafisch Programme in Form von Ablaufplänen schreiben und auf einen Computer übertragen. Der Computer ist in diesem Fall recht mobil und da er mit dne enthaltenen Sensoren, Servos und Dioden kommunizieren kann, ist er perfekt für eine Robiktik-AG geeignet. Schülerinnen und Schülern kann mit diesen Tools ohne Probleme die Idee des Programmierens und wichtige Konzepte dahinter vermittelt werden. Aber natürlich haben diese vorgefertigten Lösungen Grenzen: Wenn das Wort Robotik fällt, haben viele Lernende dann doch eher an C3PO gedacht und weniger an das Abfahren einer aufgemalten Strecke. Wenn diese Grenzen erreicht sind, wird es Zeit für Alternativen. Für einen intuitiven Einstieg eignet sich der Kurs Robotik Kinder . Raspberry Pi, der Tausendsassa Weg vom Baukasten, hin zum offenen System mit unbegrenzten Möglichkeiten führt kein Weg am Raspberry Pi vorbei. Damit lassen sich die ersten Schritte unter dem offenen Betriebssystem Linux machen, aber natürlich auch "richtig" programmieren. Die als leicht zu lernen geltende Sprache Python ist die bevorzugte Programmiersprache des Pi. Mit der kostenlosen Entwicklungsumgebung Idle können Schülerinnen und Schüler die ersten Programme in professioneller Umgebung schreiben. Hier arbeiten Sie mit dem Quellcode, so wie sie es nach wie vor der Standard in der Softwareentwicklung ist. Dieser wenig spielerische Ansatz mag einige Schülerinnen und Schüler zunächst überfordern – aber vielleicht braucht es genau die Faszination des "Echten", um andere dafür zu begeistern. Die Freude, wenn ein Programm nach zahlreichen Versuchen endlich fehlerfrei läuft, die mathematische Schönheit von Quellcode, ein raffinierter Algorithmus, womöglich erste Ideen von Softwarearchitektur – hier lockt das wirkliche Coding-Abenteuer. Unterstützend kann dabei eine Online-Nachhilfe sein. Der Pi bietet mit seiner GPIO, einer umfangreichen Hardware-Schnittstelle, darüber hinaus auch die Möglichkeit, unzählige Module anzuschließen und per Programm anzusprechen. Mithilfe eines Breadboards (eine Art Steckbrett) geht das ganz ohne Löten und lässt sich hervorragend mit der Elektronik im Physik-Unterricht zusammenbringen. Arduino, ESP und Raspberry Pi Pico Pi und Jetson enthalten komplette Linux-Betriebssysteme. Für einfache Elektronik-Basteleien genügen aber schon kleine Boards mit Mikroprozessoren wie Arduino, ESP32 oder den neuen Raspberry Pi Pico. Auch diese lassen sich einsteigerfreundlich in (Micro-)Python programmieren. Im Netz finden sich zahlreiche Anleitungen, wie man mit solchen Boards einen Multikopter (eine Drohne) baut. Jedoch muss es nicht gleich so anspruchsvoll sein: Wie wäre es zum Beispiel mit einer Luftqualitätsüberwachung mit Kohlendioxidsensor und Sirene bei Überschreiten eines Schwellenwerts? Die Bauteile sind unter 10 € erhältlich und dann klappt es auch mit dem Corona-Lüften. Motivation, Begeisterung und viel Zeit Softwareentwicklung braucht Motivation und Begeisterung und die weckt man am besten mit spannenden Themen. Die gerne benutzte Beschreibungssprache HTML zur Gestaltung von Webseiten ist da womöglich einen Tick zu einfach. Vielleicht springt der Funke mit einer "echten Programmiersprache" aus der Praxis und dazu spannenden Anwendungen eher über. Neben der Begeisterung braucht es viel Zeit. AGs und Leistungskurse bieten sich deshalb als bevorzugte Spielwiese an. Vielleicht lässt sich auch in fächerübergreifender Zusammenarbeit etwas Zeit gewinnen. Man könnte den Luftsensor beispielsweise im Chemie-Unterricht basteln und das neuronale Netzwerk als Joint-Venture im Mathe- und Informatik-LK starten.