In der vorliegenden Unterrichtseinheit "Der programmierbare Roboterarm" sollen die Schülerinnen und Schüler erste Einblicke in die Automatenprogrammierung und die Strukturierung von Programmen erhalten. Die Materialien können für die Erarbeitung im Unterricht und zur Wiederholung oder Prüfungsvorbereitung - auch am heimischen Rechner - eingesetzt werden.Die Behandlung des Themas "Informationen verarbeiten" wird an vielen Schulen mittels der Programme "Karol - der Roboter" oder "Kara" erledigt. Bei beiden Programmen tun sich die Schülerinnen und Schüler schwer damit, Sensoren zu erkennen und automatisierte Abläufe hineinzuinterpretieren. An diesem Problem soll nun der "Roboterarm" ansetzen und den Lernenden diese wichtigen Begriffe der Informatik praxisnah veranschaulichen. Das in dieser Unterrichtseinheit verwendete dreidimensionale Modell eines Roboterarms wurde durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) verwirklicht.Der programmierbare Roboterarm setzt jede Eingabe der Schülerinnen und Schüler bildlich um - durch diese Veranschaulichung ist der Lernerfolg "vorprogrammiert". Das VRML-Plugin von blaxxun Contact steht kostenfrei zur Verfügung. Der gesamte Kurs "Der programmierbare Roboterarm" ist in vier Kapitel unterteilt. Während sich die ersten drei Kapitel an die Klassen 7 bis 8 richten, können die Inhalte des vierten Kapitels auch in Klasse 10 beziehungsweise Jahrgangsstufe 11 und 12 zum Einsatz kommen. Ausführliche Hinweise zum Lehrplanbezug (hier Sachsen) finden Sie auf den folgenden Seiten. 1. Einführung in die Automatenprogrammierung - Sensoren und Zustände Schülerinnen und Schüler erkunden den Roboterarm. Sie erstellen das UML-Diagramm und modifizieren es durch Methodenaufrufe. 2. Einführung in die Automatenprogrammierung - Lineare Programmierung Nach dem "Spielen" mit dem Roboterarm über die Programmbuttons geht es nun um die Automatisierung von Abläufen - der eigentlichen Aufgabe von Robotern. 3. Einführung in die Automatenprogrammierung - Programmanalyse Die Lernenden müssen die Zusammenhänge zwischen den Sensorzuständen und den Methodenaufrufen abstrahieren. 4. Strukturiertes Programmieren - Nutzung von Kontrollstrukturen Nach dem linearen Programmieren lernen die Schülerinnen und Schüler Schleifen und Verzweigungen kennen. Die Schülerinnen und Schüler untersuchen durch die Nutzung des VRML-Modells die Sensoren und ihre verschiedenen Zustände an einem Roboterarm. untersuchen das UML-(Unified Modeling Language-)Diagramm des "Industrieroboters" sowie das Schema der Zustände und ihre Beeinflussung mit verschiedenen Methoden. bestimmen vorprogrammierte Bewegungsabläufe unter Berücksichtigung der Sensorenzustände mittels Programmeingabe und halten diese in Zustandstabellen fest. untersuchen die Kontrollstrukturen Schleifen (Wiederholungen) und bedingte Verzweigungen und wenden diese an. Erkundung des 3D-Modells Durch eine spielerische Beschäftigung mit dem VRML-Modell (Abb. 1) soll den Schülerinnen und Schülern klar werden, über welche Sensoren der Roboterarm verfügen muss und welche Zustände diese Sensoren annehmen können. So können die Lernenden gemeinsam das UML-(Unified Modeling Language-)Diagramm sowie das Schema der Zustände und der Methoden erarbeiten (siehe "roboterarm_1.pdf"). Dabei wird ihnen auch klar, von welchem Zustand man NICHT in einen anderen Zustand kommt. Plugin erforderlich Das dreidimensionale Modell wurde durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) verwirklicht, die speziell für das Internet entwickelt worden ist. Das zur Darstellung des Modells erforderlich Plugin können Sie kostenlos aus dem Internet herunterladen: blaxxun Contact 5.1 Download des Plugins von der Homepage des Autors der Unterrichtseinheit Cortona3D Viewer Download der Freeware-Version Cortona von Parallel Graphics Methodenaufrufe Nach der Erarbeitung Theorie kann das UML-Diagramm erstellt und durch Methodenaufrufe modifiziert werden (siehe "roboterarm_1.pdf"). Das erworbene Wissen kann simultan am Rechner auf die Probe gestellt werden. Für die Methodenaufrufe stehen im ersten Teil des Programms "Roboterarm.exe" sechs Button zur Verfügung (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken): R - Arm nach rechts drehen L - Arm nach links drehen H - Roboterarm nach oben (hoch) schwenken T - Roboterarm nach unten (tiefer) schwenken A - Greifer öffnen (auf) Z - Greifer schließen (zu). Über diese Buttons wird der Roboterarm gesteuert. Bei einem falschen Methodenaufruf gibt das Programm eine entsprechende Fehlermeldung aus. Wird zum Beispiel der Button "R" gedrückt, wenn der Richtungssensor bereits "rechts" anzeigt, hat dies eine entsprechende Fehlermeldung zur Folge. Lernumgebung "Programmierbarer Roboterarm" Die Lernumgebung ist - wie alle weiteren Materialien zur Unterrichtseinheit - in dem Downloadpaket programm_roboterarm.zip enthalten (siehe Startseite des Artikels). Das Programm wird per Klick auf die Datei "Roboterarm.exe" gestartet. Die EXE-Datei ruft die Bilddateien der Unterordner "mit_kugel" und "ohne_kugel" sowie die PDF-Arbeitsblätter auf und muss daher mit diesen Ordnern und Dateien auf einer Ebene liegen. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag, Bedienen technischer Geräte Lernbereich 2, Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden Zuordnung von konkreten Objekten zum Modell: Objekt - Attribut - Attributwert, UML-Notation (Unified Modeling Language) Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Einfache Programmierung Zur Automatisierung von Abläufen muss ein Weg gefunden werden, wie man der Maschine mitteilen kann, was man von ihr will. Das geschieht im Allgemeinen über die Programmierung. Die Schülerinnen und Schüler sollen an dieser Stelle jedoch keine Programmierprofis werden, sondern sich mit den Strukturen einer Programmiersprache vertraut machen. Die vorliegende Programmiersprache besteht im Wesentlichen aus einer Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z, wobei jeder Buchstabe eine Methode aufruft und somit einen Sensorzustand verändert: R - Arm nach rechts drehen L - Arm nach links drehen H - Roboterarm nach oben (hoch) schwenken T - Roboterarm nach unten (tiefer) schwenken A - Greifer öffnen (auf) Z - Greifer schließen (zu). "Sehen", was man programmiert Die Eingabe falscher Buchstaben wird durch den Parser herausgefiltert - es erfolgt keine Fehlermeldung. Dies kann man übrigens später nutzen, um zum Beispiel im Rahmen der Binnendifferenzierung Wörter zu finden, die den Roboterarm sinnvoll programmieren. Die in Frage kommenden Buchstaben mit ihrem dazugehörigen Methodenaufruf sind während der Eingabephase immer auf dem Bildschirm präsent (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Durch die signifikante Bedeutung der Programmierbefehle dieser rudimentären Programmiersprache sollte jede Schülerin und jeder Schüler binnen kürzester Zeit Erfolgserlebnisse in Form von gewünschten Bewegungsabläufen erringen. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit), Kennen des Problemlöseprozesses (Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation), selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten, Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen (kritische Bewertung der Resultate) Nennung der Methodenaufrufe Im dritten Abschnitt des Programms zeigt sich, ob die Lernenden die Theorie zur linearen Programmierung verstanden haben. Die Schülerinnen und Schüler haben nun die Aufgabe, vorgegebene Bewegungsabläufe in Programme umzusetzen. Dazu können sie Bewegungsabläufe betrachten, indem sie den entsprechenden Button anklicken (Beispiel 1-4; Abb. 4, Platzhalter bitte anklicken). Die Lernenden können sich die Sequenzen beliebig oft vorspielen lassen. Dann muss ein Programm aus einer Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z formuliert und in die entsprechende Eingabemaske eingetragen werden. Nach einem Klick auf den "ok"-Button wird die Eingabe analysiert und bewertet. Ausfüllen der Zustandstabellen Die eigentliche Schwierigkeit besteht dabei nicht in der konkreten Auflistung der Methodenaufrufe in Form eines Programms, sondern vielmehr im Ausfüllen der Zustandstabellen. Dazu müssen die Schülerinnen und Schüler die Zusammenhänge zwischen den Sensorzuständen und den Methodenaufrufen abstrahieren. Die Sensorenzustände werden nicht mehr angezeigt. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit); Kennen des Problemlöseprozesses: Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test und Dokumentation; selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten, Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen; kritische Bewertung der Resultate Lernbereich 2, Formeln und Gleichungen Die Schülerinnen und Schüler erfassen komplexere Aufgabentexte und übertragen den lösungsnotwendigen Inhalt in die mathematische Sprache und deren Symbolik. Sie erfassen Strukturen von Termen, Gleichungen und Formeln. Anschauliche Einblicke in die Programmierung Das strukturierte Programmieren - also die Nutzug von Kontrollstrukturen - setzt bei den Schülerinnen und Schülern ein erhöhtes Maß an Abstraktionsvermögen voraus. Durch Anschaulichkeit kann man ihnen jedoch den Weg der Aneignung erster Erfahrungen mit dieser Materie ebnen. Diesen Anspruch versucht das Programm "Roboterarm" gerecht zu werden. Nach den ersten Einblicken in die (lineare) Programmierung des Roboterarms sollen nun Aufgaben programmiertechnisch gelöst werden, bei denen man vorzugsweise Kontrollstrukturen einsetzt. Schleifen und Verzweigungen Beim linearen Programmieren galt bisher: Ein Programm für den programmierbaren Roboterarm besteht aus einer Reihe von Großbuchstaben, die von links nach rechts abgearbeitet werden. Beim strukturierten Programmieren kommen nun jedoch Schleifen und Verzweigungen mit hinzu. Da Schleifen und Verzweigungen dem linearen Ablauf des Programms widersprechen, spricht man nicht mehr von linearer Programmierung, sondern von strukturierter Programmierung. Im vierten Abschnitt des Programms werden nacheinander die folgenden Themen behandelt, die über die jeweiligen Reiter aufgerufen werden können (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Über den letzten Karteikartenreiter kommt man zurück zum Hauptmenü. Es empfiehlt sich, die Kapitel der Reihe nach abzuarbeiten: Bedienung des Roboterarms über Buttons Lineares Programmieren mit Kugeltransport Kontrollstruktur "Schleifen" Kontrollstruktur "Bedingte Verzweigungen" Beibehaltung der Befehle Die bereits bekannten Programmierbefehle werden beibehalten. Auch in diesem Programmteil ist während der Bedienung darauf zu achten, dass die Anzeige der Sensoren berücksichtigt wird. Wenn zum Beispiel der Richtungs-Sensor bereits "links" anzeigt, kann der Befehl "L" (Roboterarm nach links schwenken) nicht mehr ausgeführt werden. Das Programm gibt eine Fehlermeldung aus. Neuer Befehl: Kugeltausch Hinzu kommt nun die Last in Form einer Kugel, die durch den Roboterarm vom rechten Lager auf das linke Lager befördert werden soll. Jede der Kugeln hat die Masse 300 Kilogramm. Sobald der Greifer um die Kugel geschlossen wird, zeigt der Last-Sensor die aktuelle Last an. Nachdem die Kugel mittels Roboterarm vom rechten Lager auf das linke Lager befördert wurde, kann der Kugeltausch (neuer Befehl der Programmiersprache: "K") durchgeführt werden. Neue Sensoren: Last- und Lastlage In diesem Zusammenhang sind zwei neue Sensoren hinzugekommen, welche die Last betreffen. Der Roboterarm verfügt nun über einen Last-Sensor, der die Masse der Last in Kilogramm ermittelt. Der zweite Sensor ist der Lastlage-Sensor, der über die aktuelle Lage der Kugel informiert. Für den problemlosen Kugeltausch (Abb. 6) müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Die Kugel muss vom rechten Lager auf das linke Lager befördert worden sein. (Lastlage-Sensor: links ) Die Kugel muss freigegeben sein. (Roboterarm-Sensor: oben ) Kugeltausch Die Programmiersprache bestand bisher aus der Aneinanderreihung der Großbuchstaben R, L, H, T, A und Z. Damit konnte man den Roboterarm durch seine gesamten Bewegungsfreiheiten (Sensor-Zustände) führen. Zum Erfüllen der nun anstehenden Aufgaben benötigt man darüber hinaus noch den Befehl "K", der die Methode Kugeltausch aufruft. Gemäß der unter "4.1 Bedienung des Roboterarms über Buttons" betrachteten Bedingungen kann nun eine nach links transportierte Kugel - die vom Greifer freigegeben wurde - ausgetauscht werden (Abb. 7). "Aufgabe erfüllt" Die Kugel wird von ihrem linken Podest (Sensor-Lastlage = links ) entfernt und die nächste Kugel auf dem rechten Podest bereitgestellt (Sensor-Lastlage = rechts ). Für die Erfüllung der Aufgabe ist zu beachten, dass die Anzahl der bewegten Kugeln erst nach dem Kugeltausch erfasst wird (Abb. 8). "Schleifen" statt Wiederholung von Programmteilen Der Abschnitt "Schleifen" bearbeitet innerhalb des Roboterarm-Programms zum ersten Mal Programmstrukturen, die von der linearen Programmierung abweichen. Wenn zum Beispiel nicht nur eine Kugel bewegt werden soll, sondern eine beliebige Anzahl, so musste man dafür bisher einen bestimmten Programmteil mehrfach wiederholen. Das kann man auch eine Schleife erledigen lassen. Als Schleife wird ein Programmteil bezeichnet, der mehrfach nacheinander ausgeführt werden kann. Syntax der Schleife Der Roboterarm erkennt die Kontrollstruktur einer Schleife an der Syntax "W3(ZA)" (Abb. 9). Das "W" kennzeichnet die Struktur als Wiederholung (Schleife), die darauf folgende Ziffer (1-9) gibt die Anzahl der Wiederholungen an. Für die Bearbeitung der gestellten Aufgaben sind einstellige Zahlen ausreichend - mehrstellige Zahlen werden auf die letzte Stelle reduziert. Die Befehlssequenz in der Klammer stellt den zu wiederholenden Programmteil dar. Beim Programmablauf würde "W3(ZA)" dasselbe ergeben wie "ZAZAZA". Allerdings kann man bei vielen Wiederholungen oder größeren Schleifen Befehle sparen. Bei der Verwendung von Schleifen ist zu beachten, dass mehrere Schleifen nacheinander - aber nicht geschachtelt - eingegeben werden dürfen. Unterschiedliche Beantwortung einer Bedingung mit mehreren Alternativen Mit den "Wiederholungen" kennt man bereits eine Kontrollstruktur, die das Verzweigen eines Programms ermöglicht. Eine echte Verzweigung jedoch - die sich aus der unterschiedlichen Beantwortung einer Bedingung mit mehreren Alternativen ergibt - ist das noch nicht. In dem hier vorgestellten Programmteil werden dem Roboterarm Kugeln mit unterschiedlichen Lasten (null bis 500 Kilogramm) vorgelegt. Die Masse von 300 Kilogramm ist dabei die Obergrenze, die der Roboterarm heben kann, ohne Schaden zu nehmen. Sobald der Roboterarm eine Kugel im Greifer hat (Richtung: links , Arm: unten , Greifer: zu ) wechselt die Lastposition auf den Zustand im Greifer und nun muss der Test erfolgen, ob die Last vom Roboterarm bewegt werden kann oder nicht. Syntax der bedingten Verzweigung Der Roboterarm erkennt die Kontrollstruktur der Verzweigung an der Syntax "I". Der Großbuchstabe "I" steht für das englische "if ... then". Die erste Befehlsfolge wird ausgeführt, wenn die Kugel die erlaubte Masse von höchstens 300 Kilogramm hat. Bei der anderen Alternative (Masse > 300 Kilogramm) wird die zweite Befehlsfolge ausgeführt. Es ist darauf zu achten, dass der Roboterarm am Ende des Tests bei beiden Alternativen dieselben Sensoren-Zustände hat, damit das Programm anschließend fehlerfrei weiter ausgeführt werden kann. Beispiel "Bewege fünf Kugeln" Für die Bearbeitung der zweiten Aufgabe "Bewege fünf Kugeln" kann der Test problemlos in die Schleife eingebaut werden - es darf aber nur ein Test im Programm durchgeführt werden. Wenn die Kugel zu schwer ist, muss sie rechts liegen bleiben, bis der Roboterarm wieder nach oben geschwenkt ist. Nun kann die Kugel auch in der rechten Position getauscht werden und der Kugeltausch wird für die Erfüllung der Aufgabe mitgezählt. Abb. 10 zeigt eine schematische Darstellung der Verzweigung für die Befehlsfolge "RTZI L". Sensoren-Zustände vor der Verzweigung Richtung: rechts , Arm: unten ; Greifer: zu Sensoren-Zustände nach der Verzweigung Richtung: rechts ; Arm: oben ; Greifer: zu Der Unterschied besteht darin, dass sich nach der Verzweigung für den Fall "Masse > 300 Kilogramm" keine Kugel im Greifer befindet, sondern auf dem rechten Podest. Anderenfalls befindet sich die Kugel im Greifer. Wenn alle Aufgaben erfolgreich gelöst worden sind, sollten die Schülerinnen und Schüler die Struktur von Programmen grundlegend beherrschen und für weiterführende Programmieraufgaben gut vorbereitet sein. Lernbereich 1, Computer verstehen: Daten und Strukturen Übertragen des Prinzips "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" auf Vorgänge im Alltag: Bedienen technischer Geräte Lernbereich 2, Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden Zuordnung von konkreten Objekten zum Modell: Objekt - Attribut - Attributwert Lernbereich 1, Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte Klassen aus der Erfahrungswelt: Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode Lernbereich 2, Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit); Programmstrukturen, Folge, Wiederholung, Verzweigung: Kennen des Problemlöseprozesses (Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation, Lösen eines einfachen Problems unter Nutzung der Programmstrukturen, selbstständiges Lösen einfacher Probleme, einfache Automaten), Aufgaben in einfachen grafischen Programmierumgebungen (kritische Bewertung der Resultate) Lernbereich 1, Komplexe Anwendungssysteme Anwenden der Kenntnisse zu Modellen auf ein neues Werkzeug (Erkennen von Objekten, selbstständiges Einarbeiten in die Bedienung), sich positionieren zu Möglichkeiten und Grenzen der gewählten Werkzeuge Lernbereich 2, Informatische Modelle Einblick gewinnen in die Systematik informatischer Modellierung, Klassifizierung von Modellen in der Informatik Lernbereich 2, Formeln und Gleichungen Schülerinnen und Schüler erfassen komplexere Aufgabentexte und übertragen den lösungsnotwendigen Inhalt in die mathematische Sprache und deren Symbolik. Sie erfassen Strukturen von Termen, Gleichungen und Formeln.

In dieser Unterrichtseinheit sollen die Schülerinnen und Schüler interaktive Übungen zur Lernumgebung „Der programmierbare Roboterarm“ selbstständig bearbeiten.Die hier vorgestellten Übungen beziehen sich auf die Arbeit mit der Lernumgebung Der programmierbare Roboterarm , die für den Lernbereich Problemlösen mit Algorithmen entwickelt wurde. Die Materialien basieren auf Arbeitsblättern mit eingebundenen Videosequenzen und interaktiven Übungen. Sie sollen im Rahmen des Lernbereichs "Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung" unterrichtsbegleitend zur Lernumgebung eingesetzt werden. Für Lehrerinnen und Lehrer stehen Musterlösungen im Bereich "Mein LO" zur Verfügung. Videos und interaktive Übungen Der "Programmierbare Roboterarm", der den hier vorgestellten Materialien zugrunde liegt, setzt jede Eingabe der Schülerinnen und Schüler bildlich um. Durch die so erreichte Anschaulichkeit ist der Lernerfolg "vorprogrammiert". Diese bildliche Ebene eignet sich auch hervorragend für diverse Aufgabenstellungen. Die Arbeitsblätter dieser Unterrichtseinheit greifen das Thema Roboterarm auf und verknüpfen Videosequenzen mit interaktiven Aufgabestellungen. Hinweise zur Technik Da die Videosequenzen in der Regel über das Internet geladen werden, sollte eine schnelle Internetverbindung bestehen. Außerdem muss der Flash-Player installiert und aktiviert sein, da der in die Arbeitsmaterialien integrierte Videoplayer "flowplayer-3.1.5" auf Flash basiert. Alternativ können die Materialien auch offline genutzt werden. Einführung der Lernumgebung per Beamer Schülerinnen und Schüler der Klasse 8 sind den Einsatz interaktiver Arbeitsblätter oft noch nicht gewohnt. In diesem Fall sollte der Umgang mit den Materialien zunächst von der Lehrperson per Beamer gezeigt werden. Insbesondere der Umgang mit Videos und JavaScript sollte demonstriert werden. Ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise - unter Beachtung der Großschreibung - führt zu erhöhter Konzentration und damit weniger Frusterlebnissen. Die stellen sich ein, wenn Fragen zwar inhaltlich richtig, aber in falscher Schreibweise beantwortet wurden. Dynamische Arbeitsblätter Die Inhalte der vier Arbeitsblätter werden kurz beschrieben und die interaktiven Übungen per Screenshot vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Computer verstehen: Daten und Strukturen" das Prinzip Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe auf Vorgänge im Alltag übertragen, hier auf die Bedienung technischer Geräte (Klasse 7). im Lernbereich "Computer nutzen und anwenden: Objekte - Attribute - Methoden" konkrete Objekte einem Modell zuordnen (Objekt - Attribut - Attributwert) und die UML-Notation (Unified Modeling Language) kennenlernen (Klasse 7). im Lernbereich "Informationen repräsentieren: Klassen und Objekte" Klassen aus der Erfahrungswelt (Name, Attribut, Attributwertebereich, Methode) kennenlernen (Klasse 8). im Lernbereich "Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung" mit den Begriffen Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit) und Programmstrukturen (Folge, Wiederholung, Verzweigung) arbeiten (Klasse 8). Problemlöseprozesse kennenlernen: Problemanalyse, Lösungsentwurf, Umsetzung, Test, Dokumentation Thema Übungsserie zum "Programmierbaren Roboterarm" Autor Jens Tiburski Fächer Informatik, Mathematik Zielgruppe Klasse 7 und 8, bis Jahrgangstufe 12 (Prüfungsvorbereitung) Zeitraum 4-8 Stunden, je nach Vertiefung Technische Voraussetzungen im Idealfall ein Computer pro Person, Internetzugang, Flash-Player, JavaScript Vier Anweisungen, zwei Sensoren Die Einführung in die Problemlösung mit Algorithmen beginnt im Allgemeinen mit linearen Algorithmen - also der sequenziellen Programmierung. Diese lineare Abfolge von Anweisungen führt jedoch mit jedem Befehl (Methodenaufruf) zu einer Veränderung von Sensorzuständen. Auf diesen elementaren Zusammenhang zwischen Methodenaufruf und Attributwertänderung gehen die ersten beiden Arbeitsblätter ein. Ausgangspunkt ein Video, das in das Arbeitsblatt eingebunden ist (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Ziel ist es nicht nur den Algorithmus - also das verwendete Programm - zu erkennen, sondern vor allem ein vollständiges Zustandsdiagramm mit allen Methodenaufrufen und den sich daraus ergebenden Änderungen der Sensorenzustände zu erfassen. Das erste Arbeitsblatt beschränkt sich dabei auf einen Algorithmus mit nur vier Anweisungen und zwei Sensoren. Acht Anweisungen, drei Sensoren Das zweite Arbeitsblatt (Abb. 2) ist dann schon komplexer. Der Algorithmus umfasst hier acht Anweisungen, welche sich auf alle drei Sensoren des Roboterarms beziehen. Als Hilfe wird das UML-Diagramm (Unified Modeling Language, Vereinheitlichte Modellierungssprache) des Roboterarms angezeigt, das eine Übersicht aller einzusetzenden Werte bietet. Schleifen Nach der sequenziellen Programmierung erfolgt die Strukturierung von Algorithmen. Als erste Kontrollstruktur wird die Wiederholung gleicher Sequenzen - sogenannter Schleifen - behandelt. Das dritte Arbeitsblatt (Abb. 3) widmet sich diesem Thema. Auch hier werden verschiedene Videosequenzen abgespielt. Die Schülerinnen und Schüler müssen diese zunächst sequentiell erfassen, um sie anschließend - unter Verwendung von Schleifen - in strukturierte Programme umzuwandeln. Nach der Absolvierung der Aufgaben werden die Lernenden aufgefordert, die dazugehörigen Struktogramme zu entwickeln. Bedingte Verzweigung Das vierte Arbeitsblatt stellt die höchsten Ansprüche an die Schülerinnen und Schüler. Hier müssen komplexe verzweigte Algorithmen mit den dazugehörigen Struktogrammen (Abb. 4) in Übereinstimmung gebracht werden. Das erfordert in hohem Maße strukturiertes Denkvermögen. Die Einschätzung der fehlerfreien Arbeitsweise der Algorithmen sowie ihrer Effizienz lässt sich natürlich mithilfe des Programms "Der programmierbare Roboterarm" nachprüfen - die eigentliche Schwierigkeit ist aber die Beantwortung der Fragen durch eigene Überlegungen. Den Abschluss der Übungsserie bildet dann wieder die Vorführung von Videosequenzen, aus denen der entsprechende Algorithmus abzuleiten ist. Wichtig ist dabei die Erkenntnis, dass die Algorithmen im Prinzip nur bei zu schweren Kugeln voneinander abweichen - wenn alle Kugeln im Limit von 300 Kilogramm liegen, arbeiten alle Algorithmen identisch!

Diese Unterrichtsmaterialien beinhalten fünf Schülerübungen zu dem Robotersystem DOBOT Magician, welches die einfache Verwendung eines Roboterarms im Unterricht erlaubt. Eine gewisse Anzahl an mitgelieferten Werkzeugen und die Ähnlichkeit zu den großen Brüdern bieten einen anschaulichen Grundeinstieg in das Themengebiet "Robotertechnik". Vorgestellt werden in dieser Einheit fünf Schülerübungen, die relativ leicht von den Schülerinnen und Schülern bearbeitet werden können. Aufgabenthemen sind das Positionieren von Werkstücken Bewegungsarten von Robotern (linear, kreisförmig, Besonderheiten) Verfahrwege und Barrieren (Drehteile durch Barrieren führen) Sortieren und Montieren (am Beispiel von Bleistiften) Betrachtung von Arbeits- und Kollisionsraum. Die Roboter werden in Klassen mit dem Ausbildungsberuf Industriemechaniker, Maschinen- und Anlagenführer sowie Metallbauer eingesetzt. Die Roboter lassen sich für eine gemeinsame Arbeitsaufgabe zusammenstellen und mit Sensoren ergänzen. Das System ist für die Arbeit in Gruppen von zwei bis vier Lernenden gut geeignet. Kollisionsprobleme Mensch - Roboter kommen nicht vor, beziehungsweise gefährden nicht die Sicherheit der Schülerinnen und Schüler. Jede Übung sollte zwischen 15 bis 30 Minuten dauern und die Ergebnisse auf den Arbeitsblättern schriftlich festgehalten werden.

In dieser Unterrichtseinheit für den fächerverbindenden Unterricht in den Naturwissenschaften und Kunst / Werken bauen die Schülerinnen und Schüler eine bionische Hand aus Pappe und setzen sich dabei mit den Funktionen der Hand, der Finger und des Daumens sowie der Knochen, Muskeln, Sehnen und Bänder auseinander. In dieser Übungsreihe basteln die Schülerinnen und Schüler eine bionische Hand aus Pappe, Schnur, Strohhalmen und Gummiband. Durch die Verknüpfung zwischen bionischen und ihren eigenen Händen können sie die Funktion der Finger und die Bedeutung des Daumens, zum Greifen und Halten von Gegenständen verschiedener Formen nachvollziehen. Sie lernen außerdem, dass es nicht möglich wäre die menschliche Hand zu bewegen, wenn sie nur aus Knochen bestünde. Die Schülerinnen und Schüler verstehen durch den Vergleich der Materialien, die sie bei der bionischen Hand nutzen, um deren Finger zu bewegen, wie Knochen, Muskeln, Sehnen und Bänder arbeiten. Die Übungsreihe ist, abhängig vom Alter der Lernenden, für 60 bis 90 Minuten konzipiert. Es bietet sich jedoch ebenfalls an, sie in eine Projektarbeit einzubetten, die andere Fächer und Themen wie Kunst, Sprache und den menschlichen Körper umfasst. Altersklasse: 8- bis 12-Jährige Material: Arbeitsblätter Schwierigkeitsgrad: einfach/mittel benötigte Unterrichtszeit: 60-90 Minuten Durchführungsort: Klassenzimmer benötigte Materialien: Bastelmaterial (Pappe, Scheren und gegebenenfalls Cuttermesser, Heißklebepistole) Kosten pro Klasse: gering (0-10 Euro) Thematischer Hintergrund: Bionik Bionik ist die Anwendung von Designs und Konzepten aus der Natur auf die Entwicklung von Systemen und Technologien. In der Medizin ermöglicht die Bionik den Ersatz oder die Verstärkung von Organen und anderen Körperteilen durch vom Menschen entwickelte künstliche Versionen. So ermöglichen bionische Prothesen Menschen mit Behinderungen zum Beispiel, einige verlorene Fähigkeiten wiederherzustellen. Ein anderes Beispiel für Bionik sind humanoide Roboter, die die Funktionsweise des Menschen oder des menschlichen Körpers nachahmen. Humanoide Roboter sollen Menschen in gefährlichen Jobs ersetzen, die zu Verletzungen oder zum Tod führen können. Der Weltraum ist wahrscheinlich eine der für den Menschen gefährlichsten und schädlichsten Umgebungen. Tatsächlich werden deshalb bereits viele Roboter zur Erkundung und Nutzung des Weltraums eingesetzt. Es ist zu erwarten, dass in naher Zukunft Besatzungen bestehend aus Astronauten und humanoiden Robotern gemeinsam daran arbeiten werden, das Weltall zu erkunden. Dafür werden sie höchstwahrscheinlich beide bionische Hände benutzen. Bionische Hände ermöglichen Robotern Objekte für den menschlichen Gebrauch zu benutzen. Die Astronauten werden einen Vorteil durch den Nutzen von bionischen Händen haben, da der Gebrauch von Gegenständen im Vakuum des Weltalls mit den Handschuhen eines Raumanzuges schwierig und ermüdend ist. Die ESA (European Space Agency) hat die bionische Hand DEXHAND entwickelt, die von Robotern und eventuell sogar von Astronauten genutzt werden wird. Thematischer Hintergrund: die menschliche Hand Die menschliche Hand hat eine sehr komplizierte Struktur; sie enthält 27 Knochen und 34 Muskeln, daneben noch zahlreiche Sehnen, Bänder, Nerven und Blutgefäße, welche von einer dünnen Hautschicht umgeben sind. Jeder Finger besteht aus drei Knochen (Phalangen), die nach dem Abstand zur Handfläche benannt sind: die proximalen, mittleren und distalen Phalangen (Singular: Phalanx). Die Sehnen verbinden die Muskeln mit den Knochen, während die Bänder Knochen mit Knochen verbinden. Die Sehnen, die uns helfen unsere Finger zu bewegen, sind mit 17 Muskeln verbunden, welche in der Handfläche zu finden sind und mit 18 Muskeln in unseren Unterarmen. Die zwei Hauptbewegungen der Finger – beugen und strecken – werden durch Beuge- und Streckmuskeln ausgeführt. Beugemuskeln befinden sich auf der Unterseite und Streckmuskeln auf der Oberseite des Unterarms. Methodische Hinweise Diese Übungsreihe wurde unter Verwendung der IBSE-Methodik (Inquiry-based Science Education) konzipiert. Vertiefende methodische Hinweise finden Sie im Dokument bionische-hand-alle-materialien.pdf, das am Ende dieser Seite kostenlos heruntergeladen werden kann. Abhängig von den jeweiligen Lehrplänen und vom Alter der Schülerinnen und Schüler können die Übungen als Einzelmodule durchgeführt oder in ein Unterrichtsprojekt integriert werden. Ein Beispiel für ein Unterrichtsprojekt mit drei (oder mehr) Unterrichtsstunden wäre: 1. Die Lernenden untersuchen selbst, wie die menschliche Hand funktioniert und welche Rolle Knochen, Muskeln und Sehnen spielen, indem sie das Internet, Videos, Fotos oder andere Ressourcen verwenden. 2. Bau der bionischen Hand durch die Schülerinnen und Schüler 3. Projektabschluss mit dem Besuch eines Naturkundemuseums, um die Unterschiede zwischen menschlichen Händen und Tierpfoten zu untersuchen Um das Thema Bionik tiefergehend zu erkunden, kann diese Übungsreihe mit anderen aus dem Moon Camp-Paket, wie dem Roboterarm und dem menschlichen Körper, erweitert und kombiniert werden. Für ein umfassenderes Projekt über den menschlichen Körper können die Schülerinnen und Schüler auch an der Mission X: Trainiere wie ein Astronaut -Herausforderung teilnehmen. Die Schülerinnen und Schüler verstehen, wie die menschliche Hand funktioniert. verstehen, dass die Wissenschaft und die Medizin bionische Prothesen nutzen, um Teile des menschlichen Körpers, die fehlen oder nicht richtig funktionieren, zu ersetzen oder zu ergänzen. lernen, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den menschlichen Körper als Inspiration und Vorlage nutzen, um Werkzeuge wie Hände und Arme zu bauen, die sie in feindseligen Umgebungen wie dem Weltall oder der Tiefsee einsetzen können. erkunden und testen gemeinsam Ideen für den Bau einer simplen Maschine (bionische Hand).

In dieser Unterrichtseinheit für das Fach Informatik sollen die Schülerinnen und Schüler ihre zuvor erworbenen Kenntnisse von Algorithmen am Beispiel eines LED Cube üben und festigen. Ziel ist, dass die Lernenden die Programmierung von Animationen des Cube durchschauen und nachvollziehen beziehungsweise eigene Animationen kreieren können.Das Phänomen der 3D-LED Cubes geistert schon lange durch das Internet - speziell auf Video-Plattformen werden viele Cube-Videos angeboten und begeistern vor allem Jugendliche. Beim Anschauen dieser Videos kann also der Wunsch aufkommen, solch einen Cube selbst zu programmieren. Solche realen LED Cubes sind jedoch in der Regel kompliziert aufzubauen und nicht ganz einfach anzusteuern. Der Autor dieser Unterrichtseinheit hat ein Programm entwickelt, mit dem das einfach möglich ist.Informatik-Themen können recht trocken sein und sollten deshalb möglichst anschaulich und motivierend gestaltet werden. Es bietet sich zum Beispiel an, in das Thema "Modell - Algorithmus - Lösung" mit einer Unterrichtseinheit zum programmierbaren Roboterarm einzusteigen und die LED Cube-Unterrichtseinheit anzuschließen. Das entsprechende Programm 5x5x5_LED_Cube.exe wurde vom Autor dieser Unterrichtseinheit, Jens Tiburski, unter Verwendung der Programmiersprache OGLBasic programmiert, einer Basic-Variante, die auf die Programmierung mithilfe der Open Graphic Library zugeschnitten ist. Umsetzung der Unterrichtseinheit "LED-Cube" Hier erhalten Sie detaillierte Anregungen zur Arbeit mit dem Programm 5x5x5_LED_Cube.exe im Informatik-Unterricht. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden ihre Kenntnisse zur sequentiellen Programmierung auf eine neue Umgebung an. übertragen ihre Kenntnisse zum Problemlöseprozess auf selbstständiges Lösen einfacher Probleme. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln in einer neuen Arbeitsumgebung (das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe) bekannte Lösungsstrategien und arbeiten dabei mit Excel. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entwickeln nach Möglichkeit in Partnerarbeit Ideen für ansprechende Animationen. erstellen im Idealfall Animationen zur Verwendung auf der Schulhomepage oder ähnlichem. Motivation und Einstieg Um die Schülerinnen und Schüler für die Arbeit mit LED Cubes zu motivieren, können Sie zunächst ein paar entsprechende Videos zeigen, die zum Beispiel auf der Videoplattform YouTube vorgeführt werden. Die LED-Cubes, die Sie dort sehen, sind kompliziert aufzubauen und auch nicht ganz einfach anzusteuern. Leichter zu handhaben ist da das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe, welches auf einer 5x5x5-Matrix frei programmierbare Animationen erlaubt. Dieses wurde vom Autor Jens Tiburski selbst programmiert. Nachdem Sie Ihren Schülerinnen und Schülern das Programm zur Verfügung gestellt haben, sollen diese einige der vorbereiteten Beispiele ausprobieren. Die Bedienung des Programmes ist selbsterklärend. Nach dem Start erfolgt die Aufforderung, eine Datei auszuwählen. Im Ordner des Programms sind einige Beispiele zu finden. Tastaturbelegung Nach dem Einlesen der Daten erscheint der Informationsbildschirm, der darüber informiert, wie viele Frames eingelesen wurden. Ferner wird die Tastaturbelegung erklärt: FrameRate: +/- Rotieren: Cursor-Tasten Zoomen: PageUp/PageDown AutoSpin: R(echts), L(inks) und S(topp) Beenden: Escape Zentrale Fragestellungen Schnell erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass ein unverzweigter Algorithmus abgearbeitet wird. Das führt unweigerlich zu der Frage, wie solche Animationen selbst erstellt werden können. Somit ergeben sich zwei Ebenen, die den Cube für den Informatikunterricht interessant machen: 1. Wie wurde der Cube programmiert? und 2. Wie kann man die Animationen selbst programmieren? Quellcode Das Programm 5x5x5_LED_Cube.exe wurde von Jens Tiburski unter Verwendung der Programmiersprache OGLBasic programmiert, einer Basic-Variante, die auf die Programmierung mithilfe der Open Graphic Library zugeschnitten ist. Deshalb ist der Quellcode relativ einfach nachzuvollziehen. Das Programm ist unter dem Namen 5x5x5_LED_Cube.ogl abgelegt und kann mit jedem Text-Editor eingesehen werden. Ein Blick in den Quelltext zeigt den in der Abbildung dargestellten Aufbau. Nach der Variablen-Deklaration steht die Prozedur "DrawGLScene". In dieser Prozedur erfolgt das eigentliche Aufbauen der 3D-Scene - und somit der größte Unterschied zum herkömmlichen Basic. Dort geschieht jedoch nichts Geheimnisvolles, sondern die 125 LEDs (Spheren) werden positioniert. Bedeutung der Befehle Der Move-Befehl bewegt die Scene an die Stelle, an der ein Objekt eingefügt wird (ausgehend vom Punkt Origin, beziehungsweise dem letzten Move-Befehl). Der Color-Befehl gibt die Farbe des Objektes in RGB vor - die vierte Angabe steht für die Transparenz. Der Befehl Sphehre erzeugt nun eine Kugel mit dem Radius Farbe_LED![i] sowie je zehn Segmenten und Schichten. Geübte Programmierer erkennen, dass über die Area-Variable Farbe_LED![i] sowohl die Farbe, als auch der Radius geändert werden können. Zeilenweise Interpretation In den Zeilen 545 bis 560 wird nun ein Text-Dokument geöffnet und der Inhalt in ein eindimensionales Area Farbe![Farbzähler%] eingelesen. Beim Einlesen der Daten wird die Text-Datei geöffnet und zeilenweise interpretiert. Dabei werden von jeder Zeile nur die ersten fünf Zeichen eingelesen. Alles, was dahinter kommt, wird abgeschnitten. Verfügbare Zeichenanzahl Pro Frame werden 125 Zeichen (also 5 x 5 x 5 Zeichen oder 25 Zeilen) in ein eindimensionales Area eingelesen. Da das Area auf circa 16.2000 Elemente beschränkt ist, können somit 1.296 Frames eingelesen werden. Also reichlich Platz für gute Ideen. Nachdem die Dateneingabe erfolgt ist, wird im Startbildschirm die Anzahl der eingelesenen Frames sowie die Tastatur-Belegung angezeigt. Mit WaitInput wird auf eine beliebige Eingabe über Maus oder Tastatur gewartet. Danach erfolgt das Anzeigen der Scene. Drei ineinander geschachtelte Schleifen bilden das eigentliche Hauptprogramm. Die äußerste Schleife wird beendet, wenn der User die Escape-Taste drückt und somit das Programm beendet. Die mittlere Schleife wird so oft ausgeführt, wie Frames eingelesen wurden. Die innerste Schleife weist jetzt jeder der 125 LEDs Farbe_LED![i] einen Wert aus dem Area Farbe![Farbzähler%] zu. Wenn jede LED einen Farbwert hat, wird die Scene gerendert und am Bildschirm angezeigt. Dazu wird in Zeile 618 die Prozedur DrawGLScene() aufgerufen. Interpretation der Text-Beispieldateien Ein Blick in die beigefügten Text-Beispieldateien zeigt, dass die Informationen in Zeilen zu jeweils fünf Zeichen abgelegt sind. Naheliegend ist, dass jeweils eine Zeile an Zeichen auch eine Reihe an LEDs interpretiert, wobei das Zeichen "1" für "LED an" und das Zeichen "0" für "LED aus" steht. Also ergeben fünf Zeilen eine Ebene und fünf Ebenen den gesamten Cube. Insgesamt 125 Zeichen (25 Zeilen) bilden also einen Frame der Animation. Testphase Nun beginnt die Phase des Testens: Welches Zeichen steht für oben links oder für unten rechts oder für die Mitte? Nach einigen Minuten des Probierens kristallisiert sich sicher heraus, dass die obersten fünf Zeilen die Grundebene darstellen und somit das Einlesen der Informationen "kopfüber" erfolgt. Dies sowie die fehlende Strukturierung der Daten macht das Erstellen eigener Animationen aber nicht gerade leichter. Excel-Mappe als Frameeditor Abhilfe schafft dann eine Excel-Mappe, die als Frameeditor dienen soll und mit ein wenig Übung die Programmierung anspruchsvoller Abläufe gestattet. Die fünf Ebenen des Würfels sind rot dargestellt. Wird in diese rot markierten Zellen der Wert "1" eingegeben, überträgt Excel diesen Wert an die richtige Stelle in der Datenreihe und fasst fünf nebeneinanderliegende Zellen zur linken Spalte zusammen. Durch Kopieren und Einfügen können beliebig viele Frames in eine Excel-Mappe aufgenommen werden. Durch Kopieren und Einfügen von Werten kann auch innerhalb eines Frames ebenenweise kopiert werden. An dieser Stelle kann gern noch einmal auf Excel-Funktionen wie Zellenwertübergabe oder Zellenwertvereinigung eingegangen werden. Speichern der Excel-Datei Die fertige Excel-Datei kann zur weiteren Verwendung abgespeichert werden. Nun muss die Excel-Datei auch noch als txt-Datei abgespeichert werden (Datei danach schließen, da der Zugriff sonst blockiert ist!). Noch einmal zur Erinnerung: Nur die ersten fünf Zeichen einer Zeile werden vom Programm eingelesen. Somit kann die als txt gespeicherte Excel-Datei zur Eingabe verwendet werden, obwohl sie über mehr Zeichen verfügt, als für die Animation notwendig sind. Alternativ kann auch nur der Inhalt der linken Spalte kopiert und in ein Text-Dokument eingefügt werden. Das spart Speicherplatz und man kann einzelne Inhalte problemlos zusammenfügen. Einsatz in Klasse 8 In dieser Unterrichtseinheit sollen die Schülerinnen und Schüler ihre zuvor erworbenen Kenntnisse von Algorithmen üben und festigen. Deshalb bietet es sich an, diese Doppelstunde am Ende des Lernbereichs 2, "Informationen verarbeiten: Modell - Algorithmus - Lösung" der Klassenstufe 8 einzusetzen. Animierte Schriftzüge am Beispiel von Lehrer-Online Falls Ihre Schülerinnen und Schüler einen Schriftzug animieren möchten, hier ein Beispiel: Die Datei Bsp_06_lehrer-online.txt zeigt den Schriftzug LEHRER-ONLINE als Animation. Video zur Beispiel-Animation