Was haben Autobahnausfahrten, Schrauben oder Küsten mit Mathematik zu tun? In diesem Lernmodul entdecken die Schülerinnen und Schüler, wo mathematische Kurven im Alltag vorkommen, erwerben Wissen über die Theorie dahinter und wenden es auf die Programmierung von Lego-Robotern an. Außerdem lernen sie Polygone kennen, bilden mit den Robotern eine Turtle-Grafik nach und untersuchen Fraktale. Das Roberta®-Konzept nutzt die Faszination von Robotern, um Schülerinnen und Schülern Naturwissenschaften, Technik und Informatik spannend und praxisnah zu vermitteln. Die Attraktivität der Roboter hilft, Hemmschwellen zu überwinden. Der spielerische Umgang mit den Robotern fördert das Selbstvertrauen im Umgang mit Technik, und die Faszination ihrer Entwicklung weckt Interesse und Lernbereitschaft. An vielen Schulen arbeiten Lehrerinnen und Lehrer bereits erfolgreich mit dem Roberta®-Konzept. Entwickelt wurde die Roberta®-Initiative am Fraunhofer-Institut IAIS, um junge Menschen und vor allem Mädchen für Technik zu begeistern. Roberta® entführt Schülerinnen und Schüler bereits ab dem Alter von zehn Jahren in die faszinierende Welt der mobilen Roboter. Roboter bieten eine gute Grundlage, um Schülerinnen und Schüler in einem handlungsorientierten Unterricht an das technikbasierte Thema Informatik heran zu führen. Dies gilt für alle Altersgruppen und jede Vorbildung der Schülerinnen und Schüler. Roboter im Unterricht Hier erhalten Sie didaktisch-methodische Hinweise zur Arbeit mit Robotern im Unterricht sowie zur Realisierung dieser Lerneinheit. Die Schülerinnen und Schüler entdecken, wo Kurven in Natur und Technik vorkommen. lernen die Definition von Kurve und Krümmung einer Kurve kennen. lernen, Weglängen und Winkel für den Lego Mindstorms NXT-Roboter zu berechnen. lernen die Turtle-Grafik kennen. beschreiben die Besonderheiten von Fraktalen (Kurven). können Selbstähnlichkeit und Lindenmayer-System (L-System) erklären. übertragen das Gelernte auf den Lego Mindstorms NXT-Roboter. Erklär-Video Beim Entwerfen, Konstruieren, Programmieren und Testen von mobilen autonomen Robotern erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass Technik Spaß macht, lernen wie technische Systeme entwickelt werden und erwerben Fachkenntnisse. Der Bau und die Verwendung von Robotern vereint in idealer Weise viele Elemente technischen Wissens, die für ein Verständnis technologischer Probleme bis hin zu philosophischen Fragen - wie etwa der Intelligenz und Autonomie von Artefakten - hilfreich sind. Roboter bieten einen auf Technik bezogenen Zugang zu Informationstechnik. Neben vielen fachlichen Kenntnissen und Methodenwissen werden vor allem nicht-fachliche Kompetenzen, sogenannte Soft Skills wie zum Beispiel Teamfähigkeit, gefördert und Interaktion, Kommunikation, Präsentation und Dokumentation geübt. Die Schülerinnen und Schüler erledigen die Arbeitsaufträge in Gruppenarbeit mit zwei bis drei Lernenden pro Gruppe. Idealerweise verfügt dabei jede Gruppe über einen eigenen Roboter. Der Unterricht kann jedoch auch mit nur zwei LEGO-Robotern durchgeführt werden. In der Lerneinheit "Kurven, Polygone und Fraktale" werden Beispiele aus Natur und Technik in den Vordergrund gestellt. Die praktischen Aufgaben mit den Robotern werden davon abgeleitet. Der modulare Aufbau jeder Lerneinheit bietet viele unterrichtliche Einsatzmöglichkeiten. Lehrkräfte können ihre Kurse flexibel zusammenstellen. Damit können die speziellen Bedingungen eines konkreten Kurses, zum Beispiel Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler, berücksichtigt werden. Die gesamte Lerneinheit ist in drei Kapitel unterteilt: Kurven Die Schülerinnen und Schüler entdecken, wo Kurven in Natur und Technik vorkommen, lernen die Definitionen von Kurve und Krümmung kennen und berechnen Weglängen und Winkel für den Lego Mindstorms NXT-Roboter. Polygone Die Schülerinnen und Schüler erwerben Wissen über Charakteristika von Polygonen und berühmte Polygone, lernen die Turtle-Grafik kennen und übertragen die erlernte Theorie auf die Roboterwelt. Fraktale Neben den Besonderheiten von Fraktalen Kurven werden Selbstähnlichkeit und Lindenmayer-System (L-System) erläutert und das Gelernte auf den Lego Mindstorms NXT-Roboter übertragen. Realisierung Fraunhofer IAIS Indianertipi Dank an Outlaws Revival, Köln Kirche Dank an Doppelkirche Schwarzrheindorf, Bonn Mädchen in Architektur Dank an Deutsche Post AG, Bonn Küste istockphoto.com Band 1 der Roberta®-Reihe: Grundlagen und Experimente NXT Band 3 der Roberta®-Reihe: Programmieren mit Java Berns, Karsten; Schmidt, Daniel: Programmierung mit LEGO MINDSTORMS NXT, Springer Verlag, 2010, ISBN: 978-3-642-05469-3 Voß, Herbert: Chaos und Fraktale selbst programmieren, franzis' Verlag, 1998, ISBN 3-7723-7003-9 Halling, Horst; Möller, Rolf: Mathematik fürs Auge - Eine Einführung in die Welt der Fraktale, Spektrum Verlag, 1995, ISBN 3-86025-427-8 Mandelbrot, Benoît B.: Die fraktale Geometrie der Natur, Birkhäuser Verlag, 1991, ISBN 3-7643-2646-8

Fühlen, riechen, schmecken – was wir mit unseren menschlichen Sinnen können, das kann auch die Technik. Sensoren erkennen zum Beispiel Rauch, wenn es brennt, oder helfen mobilen Robotern, Hindernissen auszuweichen. Die Schülerinnen und Schüler lernen in diesem Modul die Definitionen von Sinnen und Sensoren kennen und erwerben Wissen über die Sinne von Menschen und Tieren. Mithilfe von Lego-Robotern bilden sie verschiedene Sensoren nach und lernen Anwendungen von Sensoren im Alltag kennen.Das Roberta®-Konzept nutzt die Faszination von Robotern, um Schülerinnen und Schülern Naturwissenschaften, Technik und Informatik spannend und praxisnah zu vermitteln. Die Attraktivität der Roboter hilft, Hemmschwellen zu überwinden. Der spielerische Umgang mit den Robotern fördert das Selbstvertrauen im Umgang mit Technik, und die Faszination ihrer Entwicklung weckt Interesse und Lernbereitschaft. An vielen Schulen arbeiten Lehrerinnen und Lehrer bereits erfolgreich mit dem Roberta®-Konzept. Entwickelt wurde die Roberta®-Initiative am Fraunhofer-Institut IAIS, um junge Menschen und vor allem Mädchen für Technik zu begeistern. Roberta® entführt Schülerinnen und Schüler bereits ab dem Alter von zehn Jahren in die faszinierende Welt der mobilen Roboter.Roboter bieten eine gute Grundlage, um Schülerinnen und Schüler in einem handlungsorientierten Unterricht an das technikbasierte Thema Informatik heran zu führen. Dies gilt für alle Altersgruppen und jede Vorbildung der Schülerinnen und Schüler. Roboter im Unterricht Hier erhalten Sie didaktisch-methodische Hinweise zur Arbeit mit Robotern im Unterricht sowie zur Realisierung dieser Lerneinheit. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Definitionen von Sinnen und Sensoren kennen. lernen die Sinne des Menschen kennen und überprüfen diese auf technische Realisierbarkeit. lernen die Sinne von Tieren kennen und übertragen diese auf die Roboterwelt des Lego Mindstorms NXT Roboters (Tastsinn, Sehsinn und Echoorientierung). erarbeiten Kombinationen verschiedener Sensoren. erfahren, wo Sensoren im Alltag hilfreich sind und angewendet werden. Erklär-Video Beim Entwerfen, Konstruieren, Programmieren und Testen von mobilen autonomen Robotern erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass Technik Spaß macht, lernen wie technische Systeme entwickelt werden und erwerben Fachkenntnisse. Der Bau und die Verwendung von Robotern vereint in idealer Weise viele Elemente technischen Wissens, die für ein Verständnis technologischer Probleme bis hin zu philosophischen Fragen - wie etwa der Intelligenz und Autonomie von Artefakten - hilfreich sind. Roboter bieten einen auf Technik bezogenen Zugang zu Informationstechnik. Neben vielen fachlichen Kenntnissen und Methodenwissen werden vor allem nicht-fachliche Kompetenzen, sogenannte Soft Skills wie zum Beispiel Teamfähigkeit, gefördert und Interaktion, Kommunikation, Präsentation und Dokumentation geübt. Die Schülerinnen und Schüler erledigen die Arbeitsaufträge in Gruppenarbeit mit zwei bis drei Lernenden pro Gruppe. Idealerweise verfügt dabei jede Gruppe über einen eigenen Roboter. Der Unterricht kann jedoch auch mit nur zwei LEGO-Robotern durchgeführt werden. In der Lerneinheit "Sinn für Sensoren - Sensoren für die Sinne" werden die Sinne von Menschen und Tieren in den Vordergrund gestellt. Die praktischen Aufgaben mit den Robotern werden davon abgeleitet. Der modulare Aufbau jeder Lerneinheit bietet viele unterrichtliche Einsatzmöglichkeiten. Lehrkräfte können ihre Kurse flexibel zusammenstellen. Damit können die speziellen Bedingungen eines konkreten Kurses, zum Beispiel Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler, berücksichtigt werden. Die gesamte Lerneinheit ist in vier Kapitel unterteilt: Sinne und Sensoren Die Schülerinnen und Schüler lernen die Definitionen von Sinnen und Sensoren kennen. Sinne des Menschen Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich das Thema "Sinne des Menschen" und überprüfen die Sinne auf technische Realisierbarkeit. Darüber hinaus lernen sie humanoide Roboter kennen und diskutieren über die Herausforderungen des Ziels des RoboCup Wettbewerbs im Jahr 2050. Sinne der Tiere Nach einer Einführung in die Sinne, über die Tiere im Gegensatz zum Mensch verfügen, werden einige der Sinne mit Hilfe der Sensoren des Lego Mindstorms NXT Roboters in Aufgaben nachgebildet. Anwendungen von Sensoren Die Schülerinnen und Schüler lernen Anwendungen von Sensoren aus ihrem Alltag kennen und realisieren diese mit den Robotern. Realisierung Fraunhofer IAIS Eule istockphoto.com Blumenladen Dank an Pusteblume Blumen und mehr..., Sankt Augustin Band 1 der Roberta®-Reihe: Grundlagen und Experimente NXT Band 3 der Roberta®-Reihe: Programmieren mit Java Berns, Karsten; Schmidt, Daniel: Programmierung mit LEGO MINDSTORMS NXT, Springer Verlag, 2010, ISBN: 978-3-642-05469-3 Schiessle, Edmund: Sensortechnik und Messwertaufnahme. Vogel Verlag, 1992, ISBN 3-8023-0470-5

Ameisen sind ein Phänomen! Wieso bewegen sie sich eigentlich in einer „Ameisenstraße“ fort und wie leben und kommunizieren die Tiere miteinander? Dieses Lernmodul vermittelt das Sender-Empfänger-Modell als Kommunikationsmodell sowie nützliches Wissen über die Kommunikation und Verständigung von Tieren und Menschen. Am Beispiel der Ameisenstraße abstrahieren die Schülerinnen und Schüler das Verhalten von Tieren und übertragen es auf die Roboterwelt, indem sie es mithilfe von Lego-Robotern nachbilden.Das Roberta®-Konzept nutzt die Faszination von Robotern, um Schülerinnen und Schülern Naturwissenschaften, Technik und Informatik spannend und praxisnah zu vermitteln. Die Attraktivität der Roboter hilft, Hemmschwellen zu überwinden. Der spielerische Umgang mit den Robotern fördert das Selbstvertrauen im Umgang mit Technik, und die Faszination ihrer Entwicklung weckt Interesse und Lernbereitschaft. An vielen Schulen arbeiten Lehrerinnen und Lehrer bereits erfolgreich mit dem Roberta®-Konzept. Entwickelt wurde die Roberta®-Initiative am Fraunhofer-Institut IAIS, um junge Menschen und vor allem Mädchen für Technik zu begeistern. Roberta® entführt Schülerinnen und Schüler bereits ab dem Alter von zehn Jahren in die faszinierende Welt der mobilen Roboter.Roboter bieten eine gute Grundlage, um Schülerinnen und Schüler in einem handlungsorientierten Unterricht an das technikbasierte Thema Informatik heran zu führen. Dies gilt für alle Altersgruppen und jede Vorbildung der Schülerinnen und Schüler. Roboter im Unterricht Hier erhalten Sie didaktisch-methodische Hinweise zur Arbeit mit Robotern im Unterricht sowie zur Realisierung dieser Lerneinheit. Die Schülerinnen und Schüler lernen das Sender-Empfänger-Modell als Kommunikationsmodell kennen. erwerben Wissen über die Kommunikation und Verständigung von Tieren und Menschen. erfahren, wie Ameisen leben und kommunizieren. lernen, das Verhalten der Ameisen zu abstrahieren und auf die Roboterwelt zu übertragen. Erklär-Video Beim Entwerfen, Konstruieren, Programmieren und Testen von mobilen autonomen Robotern erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass Technik Spaß macht, lernen wie technische Systeme entwickelt werden und erwerben Fachkenntnisse. Der Bau und die Verwendung von Robotern vereint in idealer Weise viele Elemente technischen Wissens, die für ein Verständnis technologischer Probleme bis hin zu philosophischen Fragen - wie etwa der Intelligenz und Autonomie von Artefakten - hilfreich sind. Roboter bieten einen auf Technik bezogenen Zugang zu Informationstechnik. Neben vielen fachlichen Kenntnissen und Methodenwissen werden vor allem nicht-fachliche Kompetenzen, sogenannte Soft Skills wie zum Beispiel Teamfähigkeit, gefördert und Interaktion, Kommunikation, Präsentation und Dokumentation geübt. Die Schülerinnen und Schüler erledigen die Arbeitsaufträge in Gruppenarbeit mit zwei bis drei Lernenden pro Gruppe. Idealerweise verfügt dabei jede Gruppe über einen eigenen Roboter. Der Unterricht kann jedoch auch mit nur zwei LEGO-Robotern durchgeführt werden. In der Lerneinheit "Ameisenstraße - Kommunizierende Systeme" wird die Kommunikation von Tieren und von Menschen in den Vordergrund gestellt. Die praktischen Aufgaben mit den Robotern werden davon abgeleitet. Der modulare Aufbau jeder Lerneinheit bietet viele unterrichtliche Einsatzmöglichkeiten. Lehrkräfte können ihre Kurse flexibel zusammenstellen. Damit können die speziellen Bedingungen eines konkreten Kurses, zum Beispiel Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler, berücksichtigt werden. Die gesamte Lerneinheit ist in vier Kapitel unterteilt: Kommunikation: Sender-Empfänger-Modell Die Schülerinnen und Schüler lernen das Sender-Empfänger-Modell kennen und wenden dieses auf die Kommunikation von Lego Mindstorms NXT Robotern an. Verständigung von Tieren Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich die Bedeutung und Arten der tierischen Kommunikation und untersuchen und testen, wie diese auch in der Technik genutzt werden. Ameisen Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich Wissen über soziale Insekten, insbesondere über Ameisen, und wenden dieses auf die Lego Mindstorms NXT Roboter an. Futtersuche von Ameisen Die Schülerinnen und Schüler untersuchen die Futtersuche von Ameisen und abstrahieren das Gelernte im Roboterexperiment "Ameisenstraße" mit den Lego Mindstorms NXT Robotern. Realisierung Fraunhofer IAIS Ameisen mit Blättern istockphoto.com Fliegende Vögel istockphoto.com Pfau istockphoto.com Ameisen auf Weiß Dank an Günther Nentwig, Bayer CropScience Aktiengesellschaft Rood, Ronald N.: Bienen, Wespen und Ameisen, Was ist Was? Band 19, Tessloff Verlag, 2004, ISBN: 3-7886-0259-7 Hölldobler, Bert; Wilson, Edward O.: Ameisen - die Entdeckung einer faszinierenden Welt. Piper Verlag, München 2001, ISBN 3-492-23414-3 Kirchner, Walter: Die Ameisen, Biologie und Verhalten. 2. Auflage. C. H. Beck, 2007, ISBN: 3-4064-4752-X Cruse, Holk; Dean, Jeffrey; Ritter, Helge: Die Entdeckung der Intelligenz oder Können Ameisen denken? DTV Verlag, 2001, ISBN: 3-4233-3064-3 Band 4 der Roberta®-Reihe: Themen und Experimente Band 3 der Roberta®-Reihe: Programmieren mit Java

In dieser Unterrichtseinheit nach dem Roberta®-Konzept lernen die Schülerinnen und Schüler die Konzepte Orientierung, Lokalisierung und Navigation mobiler technischer Systeme kennen, indem sie das Verhalten von Fußballerinnen und Fußballern auf die Roboterwelt übertragen. Wo bitte geht es zum Tor? Das wissen die Fußballerinnen und Fußballer auf dem Spielfeld ganz genau! Denn Menschen finden sich auf einem Fußballfeld meist leicht zurecht. Aber können auch Roboter Fußball spielen und Tore schießen? Ja! Allerdings ist es für Roboter viel schwieriger, sich zu orientieren. Woran das liegt, vermittelt diese Unterrichtseinheit nach dem Roberta®-Konzept. Das Roberta®-Konzept nutzt die Faszination von Robotern, um Schülerinnen und Schülern Naturwissenschaften, Technik und Informatik spannend und praxisnah zu vermitteln. Die Attraktivität der Roboter hilft, Hemmschwellen zu überwinden. Der spielerische Umgang mit den Robotern fördert das Selbstvertrauen im Umgang mit Technik, und die Faszination ihrer Entwicklung weckt Interesse und Lernbereitschaft. An vielen Schulen arbeiten Lehrerinnen und Lehrer bereits erfolgreich mit dem Roberta®-Konzept. Entwickelt wurde die Roberta®-Initiative am Fraunhofer-Institut IAIS, um junge Menschen und vor allem Mädchen für Technik zu begeistern. Roberta® entführt Schülerinnen und Schüler bereits ab dem Alter von zehn Jahren in die faszinierende Welt der mobilen Roboter. Roboter bieten eine gute Grundlage, um Schülerinnen und Schüler in einem handlungsorientierten Unterricht an das technikbasierte Thema Informatik heran zu führen. Dies gilt für alle Altersgruppen und jede Vorbildung der Schülerinnen und Schüler. Das Roberta®-Konzept nutzt die Faszination von Robotern, um Schülerinnen und Schülern Naturwissenschaften, Technik und Informatik spannend und praxisnah zu vermitteln. Die Attraktivität der Roboter hilft, Hemmschwellen zu überwinden. Der spielerische Umgang mit den Robotern fördert das Selbstvertrauen im Umgang mit Technik, und die Faszination ihrer Entwicklung weckt Interesse und Lernbereitschaft. An vielen Schulen arbeiten Lehrerinnen und Lehrer bereits erfolgreich mit dem Roberta®-Konzept. Entwickelt wurde die Roberta®-Initiative am Fraunhofer-Institut IAIS, um junge Menschen und vor allem Mädchen für Technik zu begeistern. Roberta® entführt Schülerinnen und Schüler bereits ab dem Alter von zehn Jahren in die faszinierende Welt der mobilen Roboter. Roboter im Unterricht Hier erhalten Sie weitere didaktisch-methodische Hinweise zur Arbeit mit Robotern im Unterricht sowie zur Realisierung dieser Lerneinheit. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erfahren, welche Techniken, Methoden und Konzepte für fußballspielende Roboter wichtig sind. erwerben Wissen über die Orientierung von Mensch und Roboter. lernen die Vorgehensweisen bei der Lokalisation und Navigation kennen. lernen, diese Verfahren zu abstrahieren und auf die Roboterwelt zu übertragen (Konstruieren und Programmieren von Robotern sowie Dokumentieren der einzelnen Schritte). Beim Entwerfen, Konstruieren, Programmieren und Testen von mobilen autonomen Robotern erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass Technik Spaß macht, lernen wie technische Systeme entwickelt werden und erwerben Fachkenntnisse. Der Bau und die Verwendung von Robotern vereint in idealer Weise viele Elemente technischen Wissens, die für ein Verständnis technologischer Probleme bis hin zu philosophischen Fragen - wie etwa der Intelligenz und Autonomie von Artefakten - hilfreich sind. Roboter bieten einen auf Technik bezogenen Zugang zu Informationstechnik. Neben vielen fachlichen Kenntnissen und Methodenwissen werden vor allem nicht-fachliche Kompetenzen, sogenannte Soft Skills wie zum Beispiel Teamfähigkeit, gefördert und Interaktion, Kommunikation, Präsentation und Dokumentation geübt. Die Schülerinnen und Schüler erledigen die Arbeitsaufträge in Gruppenarbeit mit zwei bis drei Lernenden pro Gruppe. Idealerweise verfügt dabei jede Gruppe über einen eigenen Roboter. Der Unterricht kann jedoch auch mit nur zwei LEGO-Robotern durchgeführt werden. Besonderes Augenmerk von Roberta® gilt der Identifizierung von Themen, die Mädchen besonders interessieren, etwa Analogien zu den Naturwissenschaften. Aus diesem Grund wird in der Lerneinheit die Orientierung von Sportlern (Fußballerinnen und Fußballern) auf einem Fußballfeld in den Vordergrund gestellt. Die praktischen Aufgaben mit den Robotern werden davon abgeleitet. Der modulare Aufbau jeder Lerneinheit bietet viele unterrichtliche Einsatzmöglichkeiten. Lehrkräfte können ihre Kurse flexibel zusammenstellen. Damit können die speziellen Bedingungen eines konkreten Kurses, zum Beispiel Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler, berücksichtigt werden. Die gesamte Lerneinheit ist in fünf Kapitel unterteilt: Fußball und RoboCup - Soccer Die Schülerinnen und Schüler sollen herausfinden, ob es Unterschiede zwischen Frauen- und Männerfußball gibt und lernen den RoboCup-Wettbewerb sowie die verschiedenen RoboCup-Ligen kennen. Konstruktion Die Schülerinnen und Schüler explorieren eine an den RoboCupJunior Soccer angelehnte Roboterkonstruktion, diskutieren Ballführungsmechanismen und testen, wie diese mit den Lego Mindstorms NXT Robotern genutzt werden können. Orientierung Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich Wissen über die verschiedenartige Bedeutung des Begriffs Orientierung und seine Übertragung auf die Robotik. Lokalisierung Die Schülerinnen und Schüler untersuchen die Lokalisierungsmodelle und wenden das Gelernte auf die Lego Mindstorms NXT Roboter an. Navigation Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich die grundlegenden Methoden der Navigation und abstrahieren diese auf das Roboterexperiment "Kick it like Roberta" mit den Lego Mindstorms NXT Robotern. Frauenfußball Fraunhofer IAIS, Dank an SV Fühlingen-Chorweiler 1929/77 e.V. RoboCup Institut für Softwaretechnologie, Fakultät für Informatik, Technische Universität Graz, Dank an Dipl.-Ing. Dr.techn. Gerald Steinbauer Roberta- Bausatz Fraunhofer IAIS Berns, Karsten; Schmidt, Daniel: Programmierung mit LEGO® Mindstorms® NXT, Springer Verlag, 2010, ISBN: 3-642-05469-2 Christaller, Thomas; et al: Robotik: Perspektiven für menschliches Handeln in der zukünftigen Gesellschaft, Springer Verlag 2001, ISBN: 978-3540427797 Band 3 der Roberta®-Reihe: Programmieren mit Java, IRB-Verlag, 2010, ISBN 978-3-8167-8401-2

Mit dem LEGO Mindstorms NXT System von LEGO Education lassen sich attraktive LEGO Modelle bauen und über einen zentralen Baustein, den sogenannten NXT-Stein, programmieren. Im Folgenden werden einige mögliche Unterrichtsszenarien vorgestellt.Autos üben auf Jugendliche eine große Faszination aus. Sie eignen sich daher gut als Anschauungs-, Recherche- oder Themenobjekt für Unterrichtseinheiten, mit deren Hilfe sich technische Sachverhalte attraktiv vermitteln lassen. Da die IT immer mehr Einzug in die Fahrzeugwelt hält, lassen sich auch einige Steuerungs- und Regelungsalgorithmen erlernen und implementieren. Das LEGO Mindstorms NXT-System eignet sich dazu, einen PKW relativ naturgetreu im Modell nachzubauen: das Intelligent Car.Durch die Programmiermöglichkeit des NXT-Bausteins sowie die Integration von Motoren und Sensoren in die Programme können leicht moderne Fahrerassistenzsysteme realisiert werden. Der handlungsorientierte Ansatz des LEGO Education Lernkonzepts ist geeignet, fundierte Kenntnisse der Informatik zu vermitteln. Es hat sich zudem gezeigt, dass gerade das Erleben der funktionierenden Lösung einen deutlichen Lernfortschritt bewirken kann. Theoretisch Erlerntes lässt sich in technisch anspruchsvollen Modellen nachzubauen und wesentliche Basisalgorithmen lassen sich in verschiedenen Programmiersprachen implementieren. So wird Gelerntes zu Erlebtem. Aufbau der Unterrichtseinheit Die Unterrichtseinheit zum Intelligent Car gliedert sich im Sinne des LEGO Education Lernprozesses in die Phasen Motivation, erste Implementierung und Verbesserungen. Beispiel 1: Die automatische Einparkhilfe Wie die automatische Einparkhilfe als ein Beispiel moderner Fahrzeugtechnik im Unterricht erarbeitet werden kann, wird hier dargestellt. Beispiel 2: Der Abstandsregeltempomat Als zweites Beispiel für die unterrichtliche Erarbeitung einer innovativen PKW-Technologie wird der Abstandsregeltempomat betrachtet. Zusammenfassung und Ausblick Fahrzeugelektronik kann mit dem Intelligent Car von LEGO Education anschaulich erläutert und nachgebildet werden. Auch für die Weiterarbeit bietet LEGO kreative Möglichkeiten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen ein Grundverständnis moderner Automobiltechnik, die heutzutage ohne IT nicht mehr denkbar ist, erlangen. Fahrerassistenzsysteme anhand zweier Beispiele verstehen und den Entwicklungsprozess von einer einfachen hin zu einer komplexeren, aufgabenangemessenen Realisierung erleben, sowohl bei der Konstruktion des LEGO Modells als auch insbesondere bei der Software-Entwicklung. Vorteile einer proportionalen gegenüber einer Sprungregelung reflektieren und dabei ein Anwendungsbeispiel für lineare Funktionen erkennen. den Unterschied zwischen einer reinen Steuerung und einer sensorgesteuerten Regelung erfahren sowie eine Methode zur Bestimmung einer zurückgelegten Strecke anwenden. Programmierkenntnisse erlernen oder, wenn schon vorhanden, anwenden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Arbeit am Modell und am Computer als kommunikative und interaktive Gruppenarbeit verstehen. Rechercheaufträge zu Fahrerassistenzsystemen erledigen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen im Team Lösungen diskutieren und entwickeln. lernen, dass Benutzerbedürfnisse wichtige Faktoren in der Technikentwicklung sind, und diese reflektieren. Erste Connect-Phase: Einführung ins Thema Kurze Erklärung des Modells Zu Beginn der Unterrichtseinheit zum Intelligent Car kann das Modell kurz gezeigt und erklärt werden. Es ist mit zwei Motoren - einem für den Antrieb und einem für die Lenkung -, verschiedenen Sensoren und einer Steuereinheit sowie einem kleinen Computer, dem NXT-Stein, ausgestattet. An den NXT-Stein können unterschiedliche Aktoren und Sensoren angeschlossen werden. Aktoren können vom Programm gesteuert werden; zum Beispiel können Motoren gedreht, Lampen angeschaltet oder Töne ausgegeben werden. Sensoren übermitteln Informationen aus der Umwelt an die Steuereinheit, zum Beispiel Helligkeitswerte und Entfernungen, aber auch logische Signale wie "gedrückt" oder "nicht gedrückt". Sensoren des Intelligent Car Das Intelligent Car enthält einen nach unten gerichteten Lichtsensor, der aber bei den hier durchgeführten Experimenten keine Rolle spielt, einen nach vorne gerichteten Ultraschallsensor zur Abstandsmessung und zwei Berührungssensoren im hinteren Stoßfänger. Außerdem kann ein zur Seite gerichteter Ultraschallsensor bei Bedarf angebaut werden. Von der Connect- zur Construct-Phase Das einfache Zeigen des Modells und das Erklären der Funktionen wären jedoch nicht ausreichend, um einen nachhaltigen Eindruck bei den Schülerinnen und Schülern zu hinterlassen. Das LEGO Education Lernkonzept sieht vor, dass nach einer sogenannten Connect-Phase, in der Bezüge zur Alltagswelt hergestellt und die Schülerinnen und Schüler für Probleme sensibilisiert werden, eine Construct-Phase stattfindet. Aufgaben von IT-Systemen in modernen PKW Mit den Jugendlichen kann nun über sogenannte Fahrerassistenzsysteme gesprochen werden. Manche kennen die Jugendlichen schon, andere können sie sich gut vorstellen. Wesentlich im Gespräch ist die Sensibilisierung dafür, dass moderne PKW nicht nur voller Technik und Elektronik stecken, sondern dass auch viele Steuerungs- und Regelungsaufgaben von IT-Systemen übernommen werden. Sicherheits- und Komfort-Funktionen Sowohl sicherheitskritische Aspekte wie ABS, ESP, Spur- oder Brems-Assistenten als auch Komfort-Funktionen wie Einparkhilfen oder In-Car-Entertainment-Systeme sind hier zu nennen. Alle Systeme erleichtern die Bedienung und erhöhen die Sicherheit beim Fahren. Über diese Anwendungsbeispiele gelingt es leicht, das Interesse der Jugendlichen zu wecken und weitere Nachfragen zu provozieren. So kann die Unterrichtseinheit mit Interesse begonnen werden. Construct-Phase: Aufbau In der Construct-Phase wird den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit gegeben, das LEGO-Modell des Intelligent Car aufzubauen. Hier werden feinmotorische und sensorische Fähigkeiten angesprochen, aber auch sorgfältiges Arbeiten nach einer Bauanleitung. Viele Kinder und Jugendliche entwickeln hier erstaunliche Fertigkeiten, auch wenn diese zuvor vielleicht nicht vermutet wurden. Zweite Connect-Phase: Beispiele Fahrerassistenzsysteme In einer erweiterten oder sich nach der Konstruktion erneut anschließenden Connect-Phase werden zwei konkrete Fahrerassistenzsysteme thematisiert: ein Abstandsregeltempomat und eine automatische Einparkhilfe. Beide Beispiele folgen dem gleichen Aufbau. Im Gespräch wird die Funktionsweise erklärt und in einer sprachlichen Umschreibung beziehungsweise in einem Pseudo-Code ausformuliert. Selbstständige Erarbeitung Anschließend kann eine erste Implementierung gezeigt werden. Das Programm dazu kann dann entweder ebenfalls gezeigt und erklärt werden oder, was einen wesentlich größeren Lernerfolg verspricht, von den Schülerinnen und Schülern selbstständig implementiert werden. Hierfür ist es nicht notwendig, textuellen Programmcode zu verstehen. Visuelle Programmiersprache Das LEGO Mindstorms NXT-System beinhaltet eine visuelle Programmiersprache, die es auch ohne Syntax-Kenntnisse einer textbasierten Programmiersprache ermöglicht, Programme zu erstellen, zu lesen und zu verstehen. In den später folgenden Implementierungen ist jedoch meist der Übersichtlichkeit halber NXC, ein Dialekt der Programmiersprache C für den NXT-Baustein, als Implementierungssprache gewählt. Contemplate-Phase: Beobachtung Nachdem Lösungen entstanden sind, können diese durch konkrete Beobachtung des Modells und der implementierten Funktionalität beurteilt und diskutiert werden. Im LEGO Education Lernkonzept wird dies die Contemplate-Phase genannt. Schwachstellen der Lösung sollen gesucht und thematisiert werden. Continue-Phase: Ausbau Insgesamt sind in dieser Unterrichtseinheit drei Varianten vorgesehen, die strukturiert erarbeitet und besprochen werden sollten und die es immer ermöglichen, direkte Verbesserungen in der Implementierung zu beobachten. Diese abschließende Phase heißt Continue-Phase im LEGO Education Lernkonzept. Stufenweise Herangehensweise Schritte der Unterrichtseinheit Die Unterrichtseinheit besteht aus den folgenden großen Schritten: Motivation (Anforderung, Planung) Erste Implementierung beziehungsweise Beispiel-Code (Konzept und Entwurf) Verbesserungen (Rückkopplung aus Anforderung zu dem Entwurf) Moderne Produktentwicklung verstehen Insbesondere durch diese stufenweise Herangehensweise ist es auch möglich, eine moderne Produktentwicklung von der Planungsphase über Konzept- und Entwurfsphase bis hin zur konkreten Realisierung anzusprechen und am Beispiel zu verdeutlichen. Den Kindern und Jugendlichen kann so klar werden, dass Lösungen meist nicht als singuläre Leistung von Individualisten entstehen, sondern dass neben der Problemlösung auch Teamwork, Kommunikation und Kreativität wesentliche Bestandteile von Entwicklungen in der der ITK-Branche sind. Ein Traum wird wahr Ein Traum wird wahr: kein Vor- und Zurückfahren, kein Hin- und Herlenken mehr, um als Fahranfänger den PKW auch mal am Straßenrand abstellen zu können. In einigen Serienfahrzeugen ist heutzutage bereits eine automatische Einparkhilfe realisiert. Von einfachen, akustischen Abstandswarnern an den äußeren Rändern des PKW über videogestützte Assistenten bis hin zur vollautomatischen Erkennung von Parklücken und zum selbstständigen Einparken des PKW reicht die Bandbreite. Drei Varianten der Realisierung Im Folgenden wird zunächst gezeigt, was der Unterschied zwischen einer starren Steuerung und einer sensorgestützten Regelung des Einparkvorgangs ist, und dann, wie die Vermessung von Parklücken am Fahrbahnrand erfolgen kann. Drei Stufen der Realisierung sind als Arbeitsblätter vorgesehen: Der PKW steht an der Parklücke und parkt nach fest programmiertem Weg ein Schnell kann deutlich werden, dass der gesamte Parkvorgang von einer geeigneten Startposition abhängt. Steht das Auto ein wenig quer oder ist die Parklücke nicht wirklich groß genug, so scheitert das Einparken. Ein festgelegter Weg ist also keine gute Lösung. Der PKW steht an der Parklücke und parkt mit Sensorunterstützung ein Da das Modell am hinteren Ende einen Stoßfänger mit Berührungssensoren besitzt, kann dieser den Einparkvorgang unterstützen, das heißt die Rückwärtsfahrt wird gestoppt, sobald ein Hindernis erkannt wird. Es wird schnell ersichtlich und kann mit dem Modell gezeigt werden, dass der automatische Einparkvorgang damit zwar etwas flexibler, jedoch noch nicht unbedingt zufriedenstellend gelöst wird. Das Intelligent Car passiert parkende Autos und erkennt eine passende Parklücke Während in den vorausgegangen Beispielen immer mehr oder weniger sorgfältig eine Ausgangsposition und eine passende Parklücke gewählt werden musste, so wird die Einparkhilfe nun dahingehend optimiert, dass das Intelligent Car auch selbstständig Parklücken erkennt und den zuvor implementierten Einparkvorgang dann nach dem Finden einer passenden Parklücke ausführt. Limitationen des Modells Zur Diskussion mit den Schülerinnen und Schülern eignen sich dann unterschiedliche Aspekte. Einerseits kann vor allem in der zweiten Stufe auf Limitationen des Modells eingegangen werden. Sind Berührungssensoren wirklich geeignet, um einen automatischen Einparkvorgang zu realisieren? Im Vergleich zu realen PKW besitzt das Intelligent Car viel weniger Sensoren. Stünden mehr oder besser geeignete Sensoren zur Verfügung, so wäre der Einparkvorgang sicherlich weiter zu optimieren. Fragen aus der ITK-Branche Es kann aber auch reizvoll und durchaus realitätsnah sein, sich Gedanken darüber zu machen, wie mit möglichst wenig Hardware-Einsatz eine möglichst optimale Leistung erzielt werden kann oder welche Ressourcen mindestens vorhanden sein müssen, um eine marktreife Realisierung zu schaffen - typische Fragen aus Berufsfeldern der ITK-Branche. Vermessung der Parklücke Ebenso kann in der dritten Stufe der Vorführung die Vermessung der Parklücke gut thematisiert werden, um dafür zu sensibilisieren, dass so manches, was man in der Schule gelernt hat, und was man vielleicht glaubte, nie mehr zu benötigen, doch Relevanz erlangen kann. In diesem Fall: Über die Anzahl der Radumdrehungen, multipliziert mit deren Umfang kann die zurückgelegte Strecke und damit auch die Größe der Parklücke berechnet werden. Das schont die Nerven Für viele Schülerinnen und Schüler stellt die Technologie des Abstandsregeltempomaten eher noch eine Zukunftsvision dar. In nervigen Verkehrsstaus oder beim Stop-and-Go-Fahren im großstädtischen Verkehr einfach nicht mehr immer bremsen und wieder losfahren zu müssen, schont die Nerven und spart Energie. Begriffsdefinition "Abstandsregeltempomat" Ein Blick in die freie Enzyklopädie Wikipedia verrät, dass ein Abstandsregeltempomat erstmals schon 1998 in einem Serienfahrzeug eingebaut war. Es handelt sich bei einem Abstandsregeltempomat um "eine Geschwindigkeitsregelanlage in Kraftfahrzeugen, die bei der Regelung den Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug als zusätzliche Rückführ- und Stellgröße einbezieht. In der internationalen Automobilindustrie hat sich der englische Ausdruck Adaptive Cruise Control etabliert (Adaptive Geschwindigkeitsregelung), abgekürzt ACC." (Quelle: Wikipedia ) Abstandsregeltempomat implementieren Formulierung der Funktionalität Eine erste Herangehensweise an die Aufgabe, einen Abstandsregeltempomat zu implementieren, besteht darin, seine Funktionsweise umgangssprachlich festzulegen: Wenn der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug größer wird, dann fahre los, bis der Abstand wieder so groß wie zuvor ist. Unmittelbar nach der ersten Formulierung der Funktionalität kann diese Logik in ein Programm für das Intelligent Car umgesetzt werden. Einstieg in die Programmierung Die grafische Repräsentation des Programms erleichtert den Einstieg in die Programmierung. Schnell wird ersichtlich, dass zu Beginn des Programms, das heißt mit Starten des Abstandsregeltempomats, anscheinend der aktuelle Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug als Wert gespeichert wird. Anschließen wird permanent geprüft, ob der Abstand größer geworden ist. Ist dies der Fall, so startet das Intelligent Car, fährt los und bremst erst wieder, wenn der Abstand den initialen Abstand unterschritten hat. Tests und Optimierungen Es ist am Modell sehr schön zu sehen, dass die prinzipielle Funktion zwar durch dieses Programm erfüllt wird, aber die Fahrweise nicht zufriedenstellend ist, da das Intelligent Car immer ruckartig anfährt und ebenso auch bremst, was leicht nachvollziehbar für die Insassen unkomfortabel wäre. Diese Tests und Optimierungen im Produktentwicklungszyklus lassen sich anschaulich vermitteln, und somit kann auch auf vielfältige Fähigkeiten und Beschäftigungsfelder in der ITK-Branche eingegangen werden. Verbesserung des Komforts Zur Verbesserung des Komforts muss eine Geschwindigkeitsregelung proportional zum Abstand erreicht werden. Das heißt, wenn der Abstand sich nur geringfügig ändert, muss das Intelligent Car nur sanft anfahren oder abbremsen, und je größer die Abstandsänderung wird, desto mehr kann es beschleunigen oder abbremsen. Das C-Programm Vor- und Nachteile Besonders interessierten Schülerinnen und Schülern kann hier auch gezeigt werden, wie aus dem grafischen Programm ein C-Programm wird. Das C-Programm sieht zunächst unverständlicher aus, wenn aber erst einmal die Syntax verstanden ist, so werden auch Vorteile deutlich. Der Code ist wesentlich "kompakter". Dafür sind aber Kontroll- und insbesondere Datenfluss nicht so leicht ersichtlich. Proportionale Regelung Wenn der C-Code erläutert wurde, kann auch erklärt werden, wie eine proportionale Regelung funktioniert. Während das initiale Programm nur zwei Zustände kannte, Fahren und Stehen, so kann bei der proportionalen Regelung die Fahrleistung aus dem Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug berechnet werden. Hier kommt dann gegebenenfalls wieder Schulmathematik ins Spiel (lineare Funktionen), und es kann am C-Code gezeigt werden, wie die Implementierung einer solchen Regelung als Funktion aussehen kann. Hinzufügen einer Notausschaltung Anschließend kann noch ein weiterer Aspekt des Abstandsregeltempomats thematisiert werden: die Notausschaltung. Auch wenn die intelligenten Unterstützungsfunktionen bequem sein mögen, so ist es aus Sicherheitsgründen oder auch aus dem Bedürfnis nach Kontrolle heraus immer nötig, dass der Fahrer in die Unterstützung eingreifen und somit die Kontrolle übernehmen kann. Über die Neugier hin zum Lernfortschritt Auseinandersetzung mit Berufsbildern der ITK-Branche Der Beitrag zeigt, dass innovative Fahrzeugelektronik sehr gut mit dem Intelligent Car von LEGO Education anschaulich erläutert und nachgebildet werden kann. Sowohl als Unterrichtseinheit, als auch in Demonstrationsform als Motivation für die Schülerinnen und Schüler, sich mit Berufsbildern der ITK-Branche auseinanderzusetzen, ist das Modell geeignet. Alltagswelt von Kindern und Jugendlich einbeziehen Es sollte gelingen, eine Brücke aus der Alltagswelt und den Interessensgebieten der Kinder und Jugendlichen zu deren Lernfortschitt und Kompetenzentwicklung zu schlagen und auch mögliche berufliche Perspektiven aufzuzeigen. LEGO, bei fast allen Jugendlichen bekannt, scheint hier ein guter Ausgangspunkt zu sein: über die Neugier hin zum Lernfortschritt und zur Entwicklung von Ideen für die eigene berufliche Zukunft. Kurzreferate zu Fahrerassistenzsystemen Beim Einsatz im Unterricht bietet es sich zur Erschließung des Themas natürlich auch an, Kurzreferate über verschiedene Fahrerassistenzsysteme zu verteilen. Ein Blick in die Wikipedia, Stichwort "Fahrerassistenzsysteme", liefert eine gute Ausgangsbasis für diese Recherchen. Dort wird eine Vielzahl von Systemen genannt, von denen hier nur ein Bruchteil widergegeben wird, der in ähnlicher Art und Weise mit dem Intelligent Car oder mit anderen, autonomen Roboter-Modellen umgesetzt werden kann: Autonomer Halt (Nothaltsystem bei Gefahrensituationen oder gesundheitlichen Problemen des Fahrers) Adaptiver Fernlichtassistent (automatisches Auf- und Abblenden des Fernlichts, je nach Gegenverkehr) Verschiedene Abstandswarner Spurerkennungssystem (allgemeine Orientierung an Fahrbahnmarkierungen) Spurhalteunterstützung oder -assistent Spurwechselunterstützung oder -assistent Verkehrszeichenerkennung (Orientierung an Markierungen am Fahrbahnrand) Car2Car Communication (funkgestütze Kommunikation zwischen Fahrzeugen zum Beispiel für Bremswarnungen) Navigationssysteme (Abgleich mit Positionsmarkierungen) Binnendifferenzierung und Weiterarbeit Geeignet für alle Schülerinnen und Schüler Durch die mehrstufige Anlage der Unterrichtseinheiten mit steigendem Komplexitätsgrad kann sehr leicht eine Binnendifferenzierung vorgenommen werden kann. Auch Schülerinnen und Schüler, die vielleicht nicht gerne mit LEGO bauen oder programmieren, können Kompetenzen bezüglich realitätsnaher Produktionsprozesse erwerben und gegebenenfalls dokumentieren. Perspektiven für Oberstufen-Unterricht Für das kreative Weiterarbeiten bietet LEGO sehr viele konstruktive Möglichkeiten. Auch die Entwicklung von Programmierfähigkeiten kann quasi beliebig gesteigert werden. Die NXT-Bausteine können auch objekt-orientiert in Java programmiert werden. So ergeben sich interessante Perspektiven für den Informatik-Unterricht in der Sekundarstufe II.