LEGO Mindstorms NXT und LEGO Education

Fachartikel

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.

Einführung

Durch eine anschaulich aufbereitete Darstellung heutiger Energiequellen und einer anregenden Diskussion über deren Vor- und Nachteile werden die Schülerinnen und Schüler in die Rolle zukünftiger Ingenieure und Ingenieurinnen versetzt.

Teil 1: Energieeffizienz von Autos

Das Beispiel eines Autos soll den Lernenden den Einsatz regenerativer Energiequellen veranschaulichen. Hierzu stehen LEGO Technik Konstruktionselemente sowie das LEGO Energie-Set zur Verfügung. Das Energie-Set bietet Solarzellen, Generatoren und Motoren, mit denen die Autos ausgestattet werden können. Die so entstehenden Modelle werden nach der Konstruktionsphase getestet. Diese Tests zielen auf die Betrachtung der Energieeffizienz der einzelnen Modelle sowie die Effizienz der jeweiligen Art der Energiegewinnung ab. Zu diesem Zweck wird durch das Energie-Set ein entsprechendes Messgerät bereitgestellt, durch das der Energiegewinn beziehungsweise der Verbrauch gemessen und grafisch aufbereitet wird. Durch die Tests sollen sich die Schülerinnen und Schüler tiefer gehend mit ihren Modellen beziehungsweise der von ihnen verwendeten Art der Energiegewinnung auseinandersetzen, um Optimierungsmöglichkeiten zu erkennen und anzuwenden. Abhängig von der Altersstufe können hier vertiefende physikalische Betrachtungen von Spannung, Stromstärke und der daraus resultierenden Leistung eingebunden werden.

Teil 2: Konstruktion von Robotern

Einstieg in die Robotik

Der Bau und die Verwendung von Robotern vermittelt in idealer Weise viele Wissenselemente, die für ein Verständnis technologischer Probleme hilfreich sind, bis hin zu philosophischen Fragen, etwa zur Intelligenz und Autonomie von künstlichen Systemen. Am Beispiel ausgewählter Roboter und autonomer Systeme werden diese Fragen aufgegriffen und kritisch diskutiert, um einen Einstieg in diese ausgedehnte Thematik zu erlangen. Dabei stehen Robotertechnologien beziehungsweise autonom handelnde Systeme im Mittelpunkt, die gegenwärtig an Prozessen der Energiegewinnung beteiligt sind. Diese Ergebnisse werden auf die im ersten Teil des Workshops entwickelten Energie-Autos übertragen, um diese in Bezug auf Energiegewinnung und Energieverbrauch zu optimieren. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer erweitern diese Autos mit Aktuatoren, Sensoren und einer intelligenten Steuerung.

Ausstattung von Autos mit Roboterelementen

Die Schülerinnen und Schüler werden vor die Aufgabe gestellt, ihre Energie-Autos mit einem autonomen System zu optimieren, das beispielsweise die automatische Ausrichtung einer Solarzelle nach der Sonne übernimmt, um stets die maximale Energieausbeute zu gewinnen. Hierzu kommen Roboterelemente von LEGO Mindstorms NXT zum Einsatz. Sie stellen unterschiedliche Sensoren, Aktuatoren und ein Rechnersystem zur Verfügung. Die Verwendung dieses Systems erfordert neben der Konstruktion der entsprechenden Erweiterungen auch deren Programmierung. Die Programmierung wird über eine einfache grafische Programmiersprache vorgenommen (s. Abb. 1). Die Schülerinnen und Schüler werden schrittweise an diese Sprache herangeführt. Durch kleine zu lösende Aufgaben werden die einzelnen Aspekte dieser Programmierung schnell ersichtlich und erste Erfolgserlebnisse sehr schnell sichtbar.

Gruppen organisieren sich selbst

Die praktischen Arbeiten sollen neben der Auseinandersetzung mit den Themen "Energie" und "Robotik" eine strukturierte Denk- und Arbeitsweise im Team fördern. Die Gruppen müssen sich selbst organisieren, um die einzelnen Phasen erfolgreich durchzuführen. Die Gruppe lernt ihre Aufgabenstellung zu analysieren und deren Durchführung zu strukturieren. Durch die einfache Anwendbarkeit der zur Verfügung gestellten Bauelemente und technischen Mittel werden für die Schülerinnen und Schüler sehr schnell Erfolgserlebnisse sichtbar. Das so gewonnene Selbstvertrauen ist vor allem bei Themen aus dem MINT-Bereich sehr wichtig und fördert die Bereitschaft, sich auch mit komplizierten Themen tiefer gehend auseinanderzusetzen. Eine abschließende Aufbereitung, Präsentation und Diskussion der eigenen Gruppenergebnisse verstärkt weiterhin den Erfolgsfaktor und festigt diesen nachhaltig.

Schnelle Erfolge sichtbar

Alle technischen Bauteile, mit denen die Schülerinnen und Schüler arbeiten, benötigen nur eine sehr geringe Einarbeitungszeit und sind sehr einfach zu bedienen. Die Arbeit wird somit nicht durch die technischen Gegebenheiten erschwert. Durch die große Bekanntheit und Homogenität der verwendeten Konstruktionselemente entstehen sehr schnell entsprechende Modelle. Die Attraktivität der Roboter hilft, Hemmschwellen zu überwinden. Der spielerische Umgang fördert den Abbau von Skepsis gegenüber Technik, und die Faszination bei ihrer Entwicklung weckt Interesse und Lernbereitschaft.

Verwendete Produkte

LEGO Mindstorms Kasten 9648
LEGO Education Energie-Set 9688

Für Teil 2

Für die Programmierungsphase sind Computer erforderlich.

LEGO Mindstorms NXT Kasten 9797
LEGO Education Energie-Set 9688
Software LEGO NXT-G 2.0