Unterrichtsgestaltung mit Programmierung und Robotik

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.