Projekt «Junge Naturwissenschaften und Technik in der ...robotik.phlu.ch/wordpress_d/wp-content/uploads/2017/05/JuNT_U... · Abbildung 2: Jungen testen die für den Roboter entwickelten

Projekt «Junge Naturwissenschaften und Technik in der Zentralschweiz» (JuNT)

Teil Robotik, Zyklus 3

Pa dagogisches Begleitmaterial

Abbildung 1: Mädchen programmieren einen Roboter, FDIN PHLU

Autorenschaft: Andrea Maria Schmid, Urs Meier (PH Luzern)

Unterstützt durch Studierende: Michael Wyrsch, Silvan Petermann

Version: 31. März 2017

http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/

Pädagogisches Begleitmaterial JuNT Robotik Zyklus 3

JuNT – www.junt.ch PHLU / phsz - 2/ 35 -

Inhalt Fachdidaktische Hinweise ....................................................................................................................................... 3

Kurzbeschrieb ..................................................................................................................................................... 3

Inquiry Based Learning von JuNT ........................................................................................................................ 3

Aufbau der Robotik-Kisten .................................................................................................................................. 4

Der Ansatz des Forscherbuches .......................................................................................................................... 4

Lehrplan 21-Bezug................................................................................................................................................... 5

Allgemeine Übersicht der Kompetenzen ............................................................................................................ 5

Kompetenzen nach Aufgabenbereichen ............................................................................................................ 6

Mensch + Gesellschaft .................................................................................................................................... 6

Bereich Gehirn ................................................................................................................................................ 6

Bereich Muskeln ............................................................................................................................................. 7

Bereich Sinne .................................................................................................................................................. 7

Ergebnissicherung .......................................................................................................................................... 8

Transferaufgabe ............................................................................................................................................. 8

Ablauf der Unterrichtseinheit ................................................................................................................................. 9

Material .............................................................................................................................................................. 9

Kurzüberblick .................................................................................................................................................... 10

Detailplanung .................................................................................................................................................... 12

Hintergrundinformationen.................................................................................................................................... 24

Mensch + Gesellschaft ...................................................................................................................................... 24

Was sind Roboter? Eine mögliche Definition: .............................................................................................. 24

Gefahren im Umgang mit Robotern und künstlicher Intelligenz.................................................................. 26

Warum wissen Roboter, was sie tun müssen? ............................................................................................. 26

LEGO Mindstorms EV3 Roboter und Software ................................................................................................. 28

Musterlösungen .................................................................................................................................................... 29

Bereich Gehirn .................................................................................................................................................. 29

Bereich Muskeln ............................................................................................................................................... 31

Bereich Sinne .................................................................................................................................................... 32

Transferaufgabe ................................................................................................................................................ 33

Quellen .................................................................................................................................................................. 35

Literatur ............................................................................................................................................................ 35

Abbildungsverzeichnis ...................................................................................................................................... 35




Fachdidaktische Hinweise Kurzbeschrieb Roboter und die damit verbundenen Themen, Technik, Programmieren und künstliche Intelligenz, halten immer mehr Einzug in unserem Alltag und in unserer Gesellschaft. Diesem Phänomen gehen Schülerinnen und Schüler mit Hilfe der JuNT-Robotik-Kisten auf den Grund. Dafür wurden verschiedene Forschungsaspekte in eine Problemstellung verpackt: Die Gärtnerei Spichtig will sich Roboter anschaffen, um effizienter arbeiten zu können. Die Aufgabe der Schülerinnen und Schüler ist es, mit Hilfe von Prototyprobotern geeignete Programme zu entwickeln. Dabei erarbeiten sie in Gruppen von 2-3 Personen Lösungsstrategien zu den drei Teilgebieten Gehirn, Muskeln, Sinne. Anschliessend werden Gesamtlösungsansätze in der Klasse zusammengetragen.

Inquiry Based Learning von JuNT

IBL-JuNT Definition: Welche Stufe des IBL wurde verwendet?

Der geführte Auftrag (Structured Inquiry): Das Structured Inquiry kann in den Naturwissenschaften, der Technik und Informatik als Spezialfall des geführten Auftrages angesehen werden. Die JuNT-Forschen-Kiste gibt das zu untersuchende Problem, die Materialien und die dafür geeigneten Methoden vor. Die Lernenden entwerfen ihre eigenen Hypothesen zur Lösung des Problems oder zum Vorantreiben der Untersuchung. Falls Lernende den Umgang mit der IBL-Methode bereits geübt haben, kann diese Einheit zum Guided Inquiry erweitert werden: Es wird entsprechend eine Auswahl an möglichen Methoden aufgezeigt, aus denen ausgewählt werden muss. Die Fragen werden aufgrund der Problemstellung selber in Gruppen oder im Plenum erarbeitet.

Sprache: Welche Art von Sprachbausteinen wurde verwendet?

Für die Robotik werden Sprachbausteine der Programmierumgebung verwendet. Die einzelnen Befehlsblöcke und deren Funktion werden pro Teilproblemstellung aufgezeigt und zur entsprechenden Programmentwicklung in der analogen und digitalen Modellentwicklung verwendet.

Modell zeichnen: Wie wurde das Modellzeichnen eingesetzt?

Die Robotik-Kisten setzen bei den Modellzeichnungen den Schwerpunkt auf die Programmentwicklung. Die einzelnen Befehlsblöcke sollen in einer Skizze modellhaft dargestellt, zueinander in Bezug gesetzt und anschliessend durch Verbindung in der entsprechenden Abfolge zu einem Programm zusammengefügt werden. Das Grundverständnis der Programmierung wird so gefördert. Optional können auch Modellskizzen der Prototyp-Roboter erstellt werden. Dieser Vorgang hat aber nur einen geringen Mehrwert, da die Robotermodelle bereits zusammengebaut sind.

Wissenschaft + Gesellschaft: Welche fundamentalen Ideen sind für die Einheit wichtig?

Die Einstiegslektionen in das Thema Robotik soll die Frage klären, warum man sich überhaupt mit Robotern beschäftigen sollte. Es wird gezeigt, was man aus wissenschaftlicher Sicht unter dem Begriff Roboter versteht und wie ein Roboter einen Algorithmus in Form von Befehlen via Programmiersprache und Compiler in der Maschinensprache aufnehmen und ausführen kann.

Welche ethischen Aspekte werden aufgegriffen?

Die Chancen und Gefahren der künstlichen Intelligenz für den Arbeitsmarkt der Menschen. Zudem, welche Vor- und Nachteile Roboter für unsere Gesellschaft allgemein aufweisen.




Aufbau der Robotik-Kisten

Abbildung 2: Jungen testen die für den Roboter entwickelten Programme, FDIN PHLU

Nach dem Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe-Prinzip (EVA) werden Mensch und Roboter in Bezug zueinander gesetzt. Die JuNT-Robotik-Kisten lassen Forschungsarbeiten in folgenden Teilbereichen zu:

Mensch: Gehirn – Roboter: Programm

Mensch: Muskeln – Roboter: Aktoren

Mensch: Sinne – Roboter: Sensoren

Insgesamt stehen pro Klasse neun Arbeitsstationen zur Verfügung, die in drei Notebooks-Kisten und drei Roboter-Kisten verpackt sind. Je nach Klassengrösse werden jeweils 2-3 Lernende zusammen forschen. Die Hardware ist so aufgebaut, dass alle Teilproblemstellungen mit jeder Arbeitsstation gelöst werden können.

Der Ansatz des Forscherbuches Alle für den Unterricht relevanten Arbeitsblätter werden den Schülerinnen und Schülern in einem kompakten Dossier abgegeben. Angelehnt an die Forschungsarbeit in der Wissenschaft, bieten die einzelnen Seiten Platz für Modell- und Schriftskizzen der einzelnen Arbeitsschritte und die damit verbundenen Ergebnissicherungen und Reflexionen des Arbeitsprozesses. Strukturierung des Arbeitsprozesses: Auf Grundlage des Structured Inquiry Learning wird in diesem Fall eine enge Strukturierungshilfe vorgelegt, welche Schritt für Schritt durch die einzelnen Arbeitsschritte führt. Pro Bereich wird von jeder Schülerin und jedem Schüler einzeln eine Strukturierungshilfe ausgefüllt. So sollen die Schülerinnen und Schüler z.B. zuerst in Form einer Skizze eine mögliche Lösung des Problems überlegen. Ein unkontrolliertes „Drauflosprogrammieren“ soll dadurch eingedämmt werden. Die Skizze soll dabei von Hand gemacht werden. Als Hilfe stehen die jeweiligen Sprachbausteine zur Verfügung. Für die Ergebnissicherung der korrekten Lösungen gibt es grundsätzlich zwei Optionen: das Aufzeichnen von Hand oder das Erstellen, Ausdrucken und Einkleben eines Printscreens der Programmlösung. Die erste Version hat den Vorteil, dass sie keine zusätzlichen Kosten verursacht und die Lösung von den Schülerinnen und Schülern auf das Wesentliche reduziert wird. Bei der zweiten Version ist die Lösung dagegen viel detaillierter einsehbar und die Schülerinnen und Schüler gewinnen etwas Zeit, welche sie beispielsweise beim Bearbeiten des nächsten Bereichs gebrauchen können. Erweiterung zum Guided Inquiry Learning: Die Lehrperson kann einzelne Schritte auf den Lernstand der Klasse anpassen, falls bereits im Vorfeld mit der Methode Inquiry Based Learning gearbeitet wurde.

Anstelle der Strukturierungshilfe werden leere Blätter abgegeben, auf welchen das Vorgehen und die Ergebnisse festgehalten werden.

Das Methodische Vorgehen wird freier, indem verschiedene Methoden zur freien Auswahl bereitgelegt werden: Prototyp-Roboter inkl. Notebook und Programmierumgebung, Software-Hilfestellung, Video-Tutorials im Internet, thematische Bausteine, Internetrecherchen, evtl. Hilfestellungen aus Vorarbeiten in der Klasse.




Lehrplan 21-Bezug Allgemeine Übersicht der Kompetenzen Die Aufgabenstellungen der Robotik Boxen orientieren sich am Lehrplan 21 Medien und Informatik des Kantons Luzern. Dabei beinhaltet die Bearbeitung von Fragestellungen die folgenden Kompetenzen und Kompetenzbereiche.

Medien

MI.1.1. Die Schülerinnen und Schüler können sich in der physischen Umwelt sowie in medialen und virtuellen Lebensräumen orientieren und sich darin entsprechend den Gesetzen, Regeln und Wertsystemen verhalten.

e. können Verflechtungen und Wechselwirkungen zwischen physischer Umwelt, medialen und virtuellen Lebensräumen erkennen und für das eigene Verhalten einbeziehen. f. können Chancen und Risiken der zunehmenden Durchdringung des Alltags durch Medien und Informatik beschreiben.

MI.1.3. Die Schülerinnen und Schüler können Gedanken, Meinungen, Erfahrungen und Wissen in Medienbeiträge umsetzen und unter Einbezug der Gesetze, Regeln und Wertsysteme auch veröffentlichen.

h. können allein und in Arbeitsteams mit medialen Möglichkeiten experimentieren und sich darüber austauschen.

Informatik

MI.2.1. Die Schülerinnen und Schüler können Daten aus ihrer Umwelt darstellen, strukturieren und auswerten.

i. können logische Operatoren verwenden (und, oder, nicht).

MI.2.2. Die Schülerinnen und Schüler können einfache Problemstellungen analysieren, mögliche Lösungsverfahren beschreiben und in Programmen umsetzen.

g. können selbstentdeckte Lösungswege für einfache Probleme in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Schleifen, bedingten Anweisungen und Parametern formulieren. h. können selbstentwickelte Algorithmen in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Variablen und Unterprogrammen formulieren. i. können verschiedene Algorithmen zur Lösung desselben Problems vergleichen und beurteilen.

MI.2.3. Die Schülerinnen und Schüler verstehen Aufbau und Funktionsweise von informationsverarbeitenden Systemen und können Konzepte der sicheren Datenverarbeitung anwenden.

l. kennen die wesentlichen Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeelemente von Informatiksystemen und können diese mit den entsprechenden Funktionen von Lebewesen vergleichen (Sensor, Prozessor, Aktor und Speicher).

Medienkompetenzen

Auswählen und Nutzen von Medienangeboten

Gestalten und Verbreiten eigener Medienbeiträge

Verstehen und Bewerten von Mediengestaltungen

Erkennen und Aufarbeiten von Medieneinflüssen

Durchschauen und Beurteilen von Bedingungen der Medienproduktion und Medienverbreitung im gesellschaftlichen Zusammenhang

Kompetenzmodell Informatik1 Kompetenzniveau 0 Einfaches Erinnern + Erkennen Kompetenzniveau 1 Verstehen + Anwenden Kompetenzniveau 2 Analysieren + Urteilen (Abschluss Kompetenzniveau Schule) Kompetenzniveau 3 Entwickeln (Experten-Kompetenzstufe)

1 Fachdidaktik Informatik PHLU (Hrsg.) (2015). Kompetenzmodell Informatik. Luzern: Pädagogische Hochschule Luzern.




Kompetenzen nach Aufgabenbereichen

Mensch + Gesellschaft

Bereich Gehirn

Entwicklungslogik Entwicklung eines Lagerungsroboters. Ein fiktiver Bestand soll als ausgegebene Zahl am Display angezeigt werden; fällt dieser unter einen bestimmten Wert, soll er automatisch wieder auf einen bestimmten Wert gesetzt werden.

Kompetenzstufen MI.1.3.h können allein und in Arbeitsteams mit medialen Möglichkeiten experimentieren und sich darüber austauschen.

MI.2.1.i können logische Operatoren verwenden (und, oder, nicht).

MI.2.2.g können selbstentdeckte Lösungswege für einfache Probleme in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Schleifen, bedingten Anweisungen und Parametern formulieren.

MI.2.2.h können selbstentwickelte Algorithmen in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Variablen und Unterprogrammen formulieren.

Kompetenzniveaus 1 Verstehen + Anwenden

Medienkompetenzen Auswählen und Nutzen von Medienangeboten Gestalten und Verbreiten eigener Medienbeiträge

Entwicklungslogik Die Vor- und Nachteile der Roboter in der Gesellschaft. Der Begriff Roboter wird fassbar und die verschiedenen Fassetten der Thematik für die Gesellschaft als Entwicklungshelfer bis hin zum Gesellschaftsverdränger werden bewusst erkannt.

Kompetenzstufen MI.1.1.e können Verflechtungen und Wechselwirkungen zwischen physischer Umwelt, medialen und virtuellen Lebensräumen erkennen und für das eigene Verhalten einbeziehen.

MI.1.1.f können Chancen und Risiken der zunehmenden Durchdringung des Alltags durch Medien und Informatik beschreiben.

MI.2.3.l kennen die wesentlichen Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeelemente von Informatiksystemen und können diese mit den entsprechenden Funktionen von Lebewesen vergleichen (Sensor, Prozessor, Aktor und Speicher).

Kompetenzniveaus 0 Einfaches Erinnern + Erkennen

Medienkompetenzen Erkennen und Aufarbeiten von Medieneinflüssen Durchschauen und Beurteilen von Bedingungen der Medienproduktion und

Medienverbreitung imgesellschaftlichen Zusammenhang




Bereich Muskeln

Entwicklungslogik Entwicklung eines Transportroboters mit Greiffunktion. Ein Tischtennisball soll an einem Ort gegriffen, zu einem anderen Ort transportiert und dort wieder abgeladen werden; anschliessend soll sich der Roboter zum Ausgangspunkt zurückbegeben.







Bereich Sinne

Entwicklungslogik Entwicklung eines Wachroboters mit Tonausgabefunktion. Wenn es dunkel ist, soll der Lichtsensor des Roboters reagieren und den Ultraschallsensor aktivieren. Der Ultraschallsensor soll einen Ton auslösen, sobald eine Bewegung unter einer bestimmten Distanz wahrgenommen wird.










Ergebnissicherung

Entwicklungslogik Die einzelnen Bereichsergebnisse werden besprochen und miteinander verglichen. Anschliessend werden Rückmeldungen an die fiktive Firma geschrieben.

Kompetenzstufen MI.2.2.i können verschiedene Algorithmen zur Lösung desselben Problems vergleichen und beurteilen.

Kompetenzniveaus 2 Analysieren + Urteilen

Medienkompetenzen Verstehen und Bewerten von Mediengestaltungen

Transferaufgabe

Entwicklungslogik Entwicklung eines Roboterassistenten. Per Knopfdruck gestartet, fährt er eine bestimmte Strecke geradeaus zu seiner Ladestation, wo er mit dem Berührungssensor ausgeschaltet wird. Beim Geradeausfahren piepst er aus Sicherheitsgründen ein Mal pro Sekunde. Der Ultraschallsensor soll den Motor immer dann stoppen, sobald eine Bewegung unter einer bestimmten Distanz wahrgenommen wird. Jedes Anhalten wird gezählt. Danach fährt er weiter geradeaus bis zum Ziel.





Kompetenzniveaus 2-3 Entwickeln





Ablauf der Unterrichtseinheit

Material Die folgende Liste gibt einen Überblick über die notwendigen Materialien für die Unterrichtseinheit. Bitte kontrollieren Sie vor und nach der Durchführung die mitgelieferten Materialien in den Kisten auf Vollständigkeit. Dazu sind die einzelnen JuNT-Kisten jeweils innen mit einem Inhaltsverzeichnis versehen.

Unterlagen:

1 Pädagogisches Begleitmaterial (in der Kiste K01a mitgeliefert)

3 Kapitel der Bereiche Gehirn, Muskeln, Sinne: Problemstellungen, Bausteine, Lösungen der Bausteine

(werden als je 3 Ordner in den Kisten mitgeliefert)

Schülerdossier (Kopiervorlage in den Kisten mitgeliefert)

1 Bildschirmpräsentation JuNT_Robotik_Z3 inkl. Musterlösungen EV3-Projekte (auf USB-Stick in den

Kisten mitgeliefert)

9 Hilfestellungen Software und Roboter EV3 (im Ordner mitgeliefert)

1 LEGO Mindstorms EV3-Anleitung

Hardware und Zusatzmaterial:

9 Notebooks inkl. EV3-education Software und Ladekabel (in den Kisten mitgeliefert)

9 Computermäuse (in den Kisten mitgeliefert)

18 Kopfhörer (in den Kisten mitgeliefert)

9 Y-Adapter (in den Kisten mitgeliefert)

9 Roboter EV3-education Basismodell mit USB-Verbindungskabel (in den Kisten mitgeliefert)

3 Tennisbälle (in den Kisten mitgeliefert)

3 Taschenlampen (in den Kisten mitgeliefert)

Schreibzeug (muss im Schulhaus vorhanden sein)

Beamer mit PC-Verbindungskabel (muss im Schulhaus vorhanden sein)

Soundsystem (muss im Schulhaus vorhanden sein)

Porteinstellungen der Roboter EV3:

Port Bezeichnung (Aktor / Sensor)

A Grosser Motor links (Bewegungslenkung)

B Grosser Motor rechts (Bewegungslenkung)

C -

D Mittlerer Motor (Greifarm)

1 Drucksensor links

2 Drucksensor rechts

3 Farb-/Licht-Sensor

4 Ultraschallsensor

Das Unterrichtsmaterial ist gemäss dieser Port-Auflistung erstellt. Bitte kontrollieren Sie bei Problemen stets die Ports am EV3-Roboter und die Einstellung beim Programmblock am Computer. Ansicht: Text am EV3-Stein-Bildschirm lesbar, entspricht der Vorderansicht.




Kurzüberblick Lektion Lernphase /

Aufgabentyp Inhalt Material

1-2 K / A Ka Ea

Wissenschaft und Gesellschaft

Ein Roboter aus dem Alltag: Den Rasenmähroboter erforschen.

Gemeinsamer Einstieg ins Thema Robotik mit den Leitfragen: Was ist ein Roboter? Was ein Programm? Wo begegnen uns Roboter im Alltag? Welche Auswirkungen hat die künstliche Intelligenz auf die Gesellschaft (pro und kontra)?

Bildschirmpräsentation JuNT_Robotik_Z3, Dossier, Schreibzeug, Beamer, Soundsystem

3-7 K Ka

Problemsituation vorstellen (Gesamtübersicht, Teilproblemstellungen)

Aufzeigen der Problemstellung Gärtnerei Spichtig: Die Arbeiten in der Firma sollen schneller und effektiver erledigt werden; wie wird das angestellt?

Teilprobleme aufzeigen der Bereiche Gehirn, Muskeln, Sinne.

Gruppenbildung und auf Bereiche aufteilen.

Bildschirmpräsentation JuNT_Robotik_Z3, Dossier, Beamer

A Ea

Gruppenarbeit 1 (Einführung, Hypothesenbildung, Modellentwicklung)

Material pro Gruppe bereitlegen.

Überblick über Hard- und Software.

Hypothesenbildung in der Gruppe, wie die jeweiligen Teilprobleme gelöst werden können.

Entwickeln von Modellzeichnungen und Skizzen der einzelnen Programmbausteine / des ganzen Programms.

9 Notebooks inkl. EV3-Software und Ladekabel, 9 Computermäuse, 18 Kopfhörer, 9 Y-Adapter, 9 Roboter EV3-Basismodell mit USB-Verbindungskabel, 3 Tennisbälle, 3 Taschenlampen, Schreibzeug, Dossier, 9 Hilfestellungen Software und Roboter EV3, 3 Ordner mit Bereichsaufgaben

A / F Üa

Gruppenarbeit 2 (Erarbeitung und Überprüfung der Teilprobleme mit Aufgaben)

Die Bausteine 1-3 zu jedem Teilproblem werden in den Gruppen durchgearbeitet.

Anschliessend wird eine Lösung für das Teilproblem in der Gruppe erarbeitet.

Die erstellten Hypothesen werden überprüft; die Leitfragen werden in den Gruppen besprochen.

Anschliessender Wechsel der Gruppen zu einem nächsten Teilproblem.

9 Notebooks inkl. EV3-Software und Ladekabel, 9 Computermäuse, 18 Kopfhörer, 9 Y-Adapter, 9 Roboter EV3-Basismodell mit USB-Verbindungskabel, 3 Tennisbälle, 3 Taschenlampen, Schreibzeug, Dossier, 9 Hilfestellungen Software und Roboter EV3, 3 Ordner mit Bereichsaufgaben




8 K Sa

Gemeinsame Auswertung (Synthese)

Alle gesammelten Bereichsergebnisse werden zuerst in den einzelnen Gruppen und anschliessend im Plenum besprochen und diskutiert: Welches sind die besten (effizientesten, schnellsten, ...) Lösungsansätze? Welche Auswirkungen hat diese Umstellung auf die Firma und auf die Mitarbeiter (Gesellschaft)?

Dossier, Schreibzeug, WT (alternativ Ideen in einem Wiki, Blog, digitaler Pinnwand sammeln)

A Sa

Schriftliche Rückmeldung an die Firma (Ergebnissicherung)

Die im Klassenrahmen besprochenen Ergebnisse werden in Einzelarbeit schriftlich festgehalten; die Schülerinnen und Schüler schreiben der Gärtnerei Spichtig einen fiktiven Brief mit den besprochenen Ergebnissen.

Dossier, Schreibzeug (alternativ mit Textverarbeitungsprogramm am Computer)

9-10 A Ta / SBa

Rolf der universelle Bodenroboter-Assistent (Transferaufgabe)

Problemstellung wird gemeinsam gelesen und besprochen.

Anschliessende Einzel- oder Partnerarbeit: Hypothesenbildung, Modellentwicklung.

Erarbeiten der Programme inkl. Testläufen.

Überprüfung der Hypothesen und der Leitfragen.

Ergebnisse schriftlich festhalten und abgeben.

9 Notebooks inkl. EV3-Software und Ladekabel, 9 Computermäuse, 18 Kopfhörer, 9 Y-Adapter, 9 Roboter EV3-Basismodell mit USB-Verbindungskabel, 3 Tennisbälle, 3 Taschenlampen, Schreibzeug, 9 Hilfestellungen Software und Roboter EV3, 3 Ordner mit Bereichsaufgaben

A FBa

Arbeitsrückblick / Aufräumen

Gemeinsamer Rückblick: Was lief gut? Was war schwierig? Was haben die Schülerinnen und Schüler gelernt?

Optional schriftliches Feedback, Schreibzeug




Detailplanung Zeit Lern-

phase KAFKA2

Aufgaben-

typ3

Ka, Ea, Üa, Ta, FBa, SBa

Kompetenz-stufe Nummer

Lehr-Lernhandlung Sozialform

KU/EA/PA/GA4

Material / Medien

Doppellektion 1 15‘ (15’) 10‘ 10’

K / A

Ka Ea

MI.1.1.e MI.1.1.f MI.2.3.l

Wissenschaft + Gesellschaft Die LP geht – falls möglich – mit den SuS zu einem Platz, auf dem ein Rasenmähroboter Arbeiten ausführt. Alternativ wird mit dem Dossier im Schulzimmer gearbeitet. Die LP teilt dazu die Schülerdossiers aus. Die LP erklärt den Auftrag im Dossier auf Seite 1. Die SuS beobachten den Roboter / schauen sich das Bild im Dossier an und lösen die Aufgaben im Dossier dazu. Anschliessend werden die Ergebnisse in Kleingruppen verglichen und ausgetauscht. Optional: Die Kleingruppen recherchieren im Internet über die Funktionsweise von Rasenmähroboter, z.B. http://www.maehroboter-rasenmaeher.de/maehroboter-infos/wie-funktioniert-ein-rasenmaeher-roboter/ Jede Gruppe notiert als Mindmap oder Zeichnung ihre Definition eines Roboters und hängt diese anschliessend im Schulzimmer an die WT. Die SuS betrachten die Ergebnisse der anderen Gruppen. Die LP stellt mit Hilfe der Bildschirmpräsentation EINE Definition des Begriffes „Roboter“ vor und geht auf die Ideen der Gruppen ein. Die SuS bearbeiten zu zweit die Fragen zunächst mündlich, dann schriftlich:

KU EA GA PA KU

Präsentation_Robotik_Z3, Dossier, Schreibzeug, Beamer mit PC, Notizpapier, evtl. Standort mit Rasenmähroboter, optional für Recherche: Computer mit Internetverbindung

2 K Kontakt herstellen / A Aufbauen / F Flexibilisieren / K Konsolidieren / A Anwenden 3 Ka Konfrontationsaufgaben / Ea Erarbeitungsaufgabe / Üa Übungs-, Vertiefungsaufgabe / Ta Transfer-, Syntheseaufgabe / FBa Formative Beurteilungsaufgabe / SBa Summative Beurteilungsaufgabe 4 Klassenunterricht (KU), Gruppenarbeit (GA), Partnerarbeit (PA), Einzelarbeit (EA)


http://www.maehroboter-rasenmaeher.de/maehroboter-infos/wie-funktioniert-ein-rasenmaeher-roboter/

http://www.maehroboter-rasenmaeher.de/maehroboter-infos/wie-funktioniert-ein-rasenmaeher-roboter/



15‘ 20‘ 10‘ 10‘

Wo begegnen uns Roboter im Alltag?

Welche Vorteile haben Roboter in unserem Alltag?

Welche Gefahren können Roboter mit sich bringen?

Welche Auswirkungen hat die künstliche Intelligenz auf die Gesellschaft (pro und kontra)?

Optional: Internetrecherche zu den Fragen in der Gruppe. Im Anschluss werden die Gruppenergebnisse pro Frage im Plenum besprochen: Jede Gruppe liefert zu jeder Frage eine mögliche Teilantwort. Im Anschluss an jede Frage zeigt die Lehrperson mit Hilfe der Bildschirmpräsentation eine mögliche Antwort und/oder Videoausschnitte zu „Roboter und Auswirkungen auf die Gesellschaft“. Die SuS ergänzen ihre Dossier-Einträge während der Besprechung fortlaufend. Fragen werden geklärt. Übergang: Die LP zeigt die Bildschirmpräsentation mit der Frage „Woher wissen Roboter, was sie tun müssen?“ bzw. „Wie kann ein Roboter Befehle von uns entgegennehmen?“ Die SuS beantworten diese Frage schriftlich aufgrund ihres Vorwissens. Für Schnellere:

Wie genau wird dies beim EV3 gemacht?

Evtl. Internetrecherche zu den Überbegriffen Programmiersprache, Maschinensprache (Binärcode)

Besprechung der Ergebnisse im Plenum. Die Lehrperson weist mit Hilfe der Bildschirmpräsentation auf die Begriffe Algorithmen (Befehle), Programme, Programmiersprache, Maschinensprache und Compiler hin.

GA KU EA KU EA KU

Doppellektion 2

5‘

K

Ka MI.1.3.h MI2.2.g

Problemsituation vorstellen Gesamtübersicht Die LP zeigt anhand der Übersicht und des Textes die Problemstellung der Gärtnerei Spichtig auf: Die Arbeiten in der Firma sollen schneller und effektiver erledigt werden. Wie und

KU

Präsentation_Robotik_Z3, Dossier




10‘ 5‘

womit ist das möglich? Teilproblemstellungen Um die Arbeit etwas besser zu strukturieren, zeigt die LP den SuS die drei zu bearbeitenden Teilprobleme auf:

Bereich Gehirn Ein Ziva-Lagerungsroboter soll den Lagerbestand an Düngemittel und Blumenerde kontrollieren und Nachbestellungen erledigen.

Bereich Muskeln Ein Schubkarrenroboter soll mit Hilfe eines Greifarms automatisch Material aufladen und dieses von einem Anfangs- zu einem Zielpunkt hin- und zurückfahren.

Bereich Sinne Der Wachroboter PLZ-3000 soll sich selbstständig einschalten, sobald es genügend dunkel ist. Sobald jemand auf die Bodenplatte am Eingangsbereich der Lagerhalle tritt oder zu nahe an den Roboter herantritt (er wird neben der Türe installiert), soll er einen Alarm wiedergeben. Ziel: Jedes Teilproblem wird von verschiedenen Gruppen bearbeitet und mit möglichen Lösungen abgeschlossen. Jeweils drei Gruppen können gleichzeitig an einem der drei Bereiche arbeiten. Ist ein Problem von einer Gruppe gelöst, wechselt sie zum nächst freien Bereich. Qualität vor Quantität. Tipp: Es empfiehlt sich vom Schwierigkeitsgrad her zunächst mit den Bereichen Muskeln und Sinne zu starten. Die LP teilt die Klasse für die Weiterarbeit in 2-3er Gruppen auf. Anschliessend werden die Gruppen auf die Bereiche verteilt.

KU

Präsentation_Robotik_Z3, Dossier, Problemstellungstexte zu den Teilproblemstellungen Bereiche Gehirn, Muskeln, Sinne

5‘

A

Ea

MI.1.3.h MI2.2.g

Gruppenarbeit 1 Arbeitsplatz einrichten Die Gruppen setzen sich an einem Pult zusammen und legen das für sie notwendige Material aus den JuNT-Kisten bereit:

PA / GA

9 Notebooks inkl. EV3-Software und Ladekabel, 9 Computermäuse, 18 Kopfhörer, 9 Y-Adapter, 9 Roboter EV3-Basismodell mit USB-Verbindungskabel, 3 Tennisbälle, 3




20‘

1 Notebook mit Ladekabel

1 Computermaus

2 Kopfhörer und 1 Y-Adapter

1 EV3-Roboter mit USB-Anschlusskabel

1 Bereichskapitel aus den 3 Ordnern

1 Hilfestellung Software und Roboter EV3

Zusätzlich für den Bereich Muskeln einen Tennisball

Zusätzlich für den Bereich Sinne eine Taschenlampe

Schreibzeug Einführung in die Hard- und Software Die Lehrperson gibt den Gruppen einen Überblick über Hard- und Software. Zunächst weist sie folgende Arbeiten an:

1. Die Gruppen stecken ihr Notebook an einer Stromquelle an, stecken die Computermaus an einer freien USB-Stelle ein und starten das Betriebssystem. Anschliessend wird die Software LEGO Mindstorms EV3 gestartet.

2. Das USB-Verbindungskabel wird am einen Ende mit dem Computer und am anderen Ende mit dem EV3-Roboter verbunden.

3. Der Y-Adapter wird beim Audio-Ausgang am Notebook eingesteckt. Die beiden Kopfhörer werden in die freien Ausgänge des Y-Adapters eingesteckt.

Die Lehrperson geht mit den SuS zunächst näher auf den Roboter ein:

1. Für was sind welche Sensoren beim Roboter? Die SuS sollen den Roboter dazu untersuchen. Die Hilfestellung Software und Roboter EV3 und die LP helfen bei den Antworten.

2. Wie starte ich den Roboter? Wie schalte ich den Roboter wieder aus? Die SuS sollen den Roboter dazu untersuchen. Die Hilfestellung Software EV3 und die LP helfen bei den Antworten.

PA / GA

Taschenlampen, Schreibzeug, 9 Hilfestellungen Software und Roboter EV3, 3 Ordner mit Bereichsaufgaben




15‘ 10‘

Üa

Als nächster Schritt geht die LP mit den SuS näher auf die Programmierumgebung EV3 ein. Die SuS sollen dabei jedes Kapitel der Hilfestellung Software EV3 in der Gruppe kurz durchgehen und austesten:

1. Programmübersicht Software EV3 2. Neue Programmdatei öffnen und umbenennen 3. Blöcke zu einem Programm hinzufügen 4. Blöcke löschen 5. Programmierpaletten 6. Wichtige Grundbefehle 7. Blockeinstellungen 8. Der LEGO Mindstorms EV3 (Vorgehen zum

Programmieren) Hier gibt die Lehrperson z.B. vor, dass der Roboter 5 Sekunden geradeausfahren soll.

Die LP kontrolliert die Arbeiten in den Gruppen und leitet zum nächsten Schritt über. Hypothesenbildung Die SuS lesen im Aufgabenkapitel die Problemstellung ihres Bereichs nochmals in Ruhe durch. Danach besprechen sie mögliche Hypothesen zur Lösungsfindung und schreiben diese einzeln in ihrer Strukturierungshilfe im Dossier auf. Sie sollen die Leitfragen der Teilproblemstellung möglichst genau beantworten. Modellentwicklung Als nächster Schritt entwickeln die SuS ein mögliches Modell zur Lösung ihres Problems und zeichnen dieses in der Strukturierungshilfe im Dossier einzeln auf. Die Lehrperson zeigt dazu ein Beispiel an der Wandtafel: StartUltraschall (misst Entfernung vor Person) … Dabei werden die einzelnen Programmbausteine in einer Reihenfolge dargestellt, so dass ein ganzes Programm entsteht. Als Hilfe dienen die Sprachbausteine bei der Problemstellung ihres Teilproblems und die Hilfestellung Software und Roboter EV3 mit den wichtigsten Befehlen als Übersicht. Die Lehrperson kontrolliert die Hypothesen und die Modelle jeder

EA / GA EA / GA




10‘ 10’

Gruppe kurz auf Verständlichkeit und Vollständigkeit. Bausteine der Bereiche durcharbeiten Jede Gruppe arbeitet nun die Bausteine 1-3 bei ihrem zugeteilten Bereich (Gehirn, Muskeln, Sinne) durch. Im Dossier markieren sie vor dem Aufräumen ihren Arbeitsstand. Die LP unterstützt, wo notwendig. Aufräumen

Alle geöffneten Programme am Notebook und dem Roboter beenden, Daten wieder von den Geräten löschen und abschalten.

Die Materialien in die dafür vorgesehenen Kisten versorgen.

Das Schülerdossier in die persönliche Mappe einpacken.

PA / GA GA / KU

Doppellektion 3

5‘ 5‘

A / F

Üa MI.1.3.h MI.2.1.i MI2.2.g MI.2.2.h

Gruppenarbeit 2 Arbeitsplatz einrichten Die Gruppen setzen sich an einem Pult zusammen und legen das für sie notwendige Material aus den JuNT-Kisten bereit:


1 Computermaus



1 Bereichskapitel aus den 3 Ordnern


Zusätzlich für den Bereich Muskeln einen Tennisball

Zusätzlich für den Bereich Sinne eine Taschenlampe

Schreibzeug Der Arbeitsplatz wird nun gemäss den Angaben der vorangegangenen Lektionen eingerichtet (siehe Gruppenarbeit 1).

Repetition der Problemstellung und Teilproblemstellungen der Bereiche Gehirn, Muskeln, Sinne Die Lehrperson erwähnt nochmals die Hauptproblemstellung der Gärtnerei Spichtig.

PA / GA KU

9 Notebooks inkl. EV3-Software und Ladekabel, 9 Computermäuse, 18 Kopfhörer, 9 Y-Adapter, 9 Roboter EV3-Basismodell mit USB-Verbindungskabel, 3 Tennisbälle, 3 Taschenlampen, Schreibzeug, 9 Hilfestellungen Software und Roboter EV3, 3 Ordner mit Bereichsaufgaben




40‘ 25‘ 5‘ 10‘

Im Anschluss repetiert jede Gruppe ihre Teilproblemstellung und ihre gebildeten Hypothesen mit Hilfe der Bereichsblätter und der Notizen in den Dossiers. Bausteine der Bereiche durcharbeiten Jede Gruppe arbeitet nun die Bausteine 1-3 bei ihrem zugeteilten Bereich (Gehirn, Muskeln, Sinne) durch. Die LP unterstützt, wo notwendig. Überprüfung der Hypothesen / Lösungsfindung Die zu Beginn des Bereichs erstellten Hypothesen werden überprüft und die Leitfragen der Problemstellung des Bereichs besprochen. Im Anschluss versucht die Gruppe eine Lösung für das Teilproblem zu entwickeln und hält dies im Dossier fest (aufschreiben oder Lösung ausdrucken und aufkleben). Gruppenwechsel Im Anschluss wird jede Gruppe durch die LP einem neuen Bereich zugeteilt. Aufräumen




PA / GA PA / GA PA / GA EA / GA GA / KU GA / KU

Doppellektion 4

5‘

A / F

Üa MI.1.3.h MI.2.1.i MI2.2.g MI.2.2.h

Wechsel der Gruppen Repetition der Problemstellung und Teilproblemstellungen Bereich 1-3 Die Lehrperson erwähnt nochmals die Hauptproblemstellung der Gärtnerei Spichtig. Im Anschluss repetiert jede Gruppe ihre neu erhaltene

KU PA / GA

9 Notebooks inkl. EV3-Software und Ladekabel, 9 Computermäuse, 18 Kopfhörer, 9 Y-Adapter, 9 Roboter EV3-Basismodell mit USB-Verbindungskabel, 3 Tennisbälle, 3 Taschenlampen, Schreibzeug, 9 Hilfestellungen Software und




5‘ 10’ 10’

Teilproblemstellung mit Hilfe der Bereichsblätter und der Notizen in den Dossiers. Arbeitsplatz einrichten Die Gruppen setzen sich an einem Pult zusammen und legen das für sie notwendige Material aus den JuNT-Kisten bereit:


1 Computermaus



1 Bereichskapitel 1-3 aus den 3 Ordnern


Zusätzlich für den Bereich 2: Muskeln einen Tennisball

Zusätzlich für den Bereich 3: Sinne eine Taschenlampe

Schreibzeug Der Arbeitsplatz wird nun gemäss den Angaben der vorangegangenen Lektionen eingerichtet (siehe Gruppenarbeit 1). Hypothesenbildung Die SuS lesen im Aufgabenkapitel die Problemstellung ihres neu erhaltenen Bereichs 1-3 in Ruhe durch. Danach besprechen sie mögliche Hypothesen zur Lösungsfindung und schreiben diese einzeln in ihrer Strukturierungshilfe im Dossier auf. Modellentwicklung Als nächster Schritt entwickeln die SuS ein mögliches Modell zur Lösung ihres Problems und zeichnen dieses in der Strukturierungshilfe im Dossier einzeln auf. Dabei werden die einzelnen Programmbausteine in einer Reihenfolge dargestellt, so dass ein ganzes Programm entsteht. Als Hilfe dienen die Sprachbausteine bei der Problemstellung ihres Teilproblems und die Hilfestellung Software und Roboter EV3 mit den wichtigsten Befehlen als Übersicht. Die Lehrperson kontrolliert die Hypothesen und die Modelle jeder Gruppe kurz auf Verständlichkeit und Vollständigkeit. Danach

PA / GA EA / GA EA / GA

Roboter EV3, 3 Ordner mit Bereichsaufgaben




35‘ 20‘ 5‘

kann die Gruppe zum nächsten Schritt übergehen. Bausteine der Bereich durcharbeiten Jede Gruppe arbeitet nun die Bausteine 1-3 bei ihrem neu zugeteilten Bereich (Gehirn, Muskeln, Sinne) durch. Die LP unterstützt, wo notwendig. Überprüfung der Hypothesen / Lösungsfindung Die zu Beginn des Bereichs erstellten Hypothesen werden überprüft und die Leitfragen der Problemstellung des Bereichs besprochen. Im Anschluss versucht die Gruppe eine Lösung für das Teilproblem zu entwickeln und hält dies im Dossier fest (aufschreiben oder Lösung ausdrucken und aufkleben). Aufräumen




PA / GA EA / GA GA / KU

20‘ K

Sa MI.2.2.i Gemeinsame Auswertung (Synthese) Die LP sammelt im Plenum die Ergebnisse der Gruppenarbeiten und hält diese an der WT oder via PC und Beamer schriftlich fest. Folgende Fragen werden beantwortet?

Welches sind die besten Lösungsansätze, um mit Robotern effizienter und schneller in der Gärtnerei Spichtig zu arbeiten?

Welche Auswirkungen haben diese Massnahmen auf die Gesellschaft?

KU Dossier, Schreibzeug, WT oder PC und Beamer

10‘ A

Sa MI.2.2.i Schriftliche Rückmeldung an die Firma (Ergebnissicherung) Die im Klassenrahmen besprochenen Ergebnisse werden in Einzelarbeit im Schülerdossier festgehalten. Die SuS schreiben der Gärtnerei Spichtig dazu einen fiktiven Brief mit den besprochenen Ergebnissen.

EA Dossier, Schreibzeug




Die Lehrperson zieht die schriftlichen Rückmeldungen im Anschluss ein und kontrolliert diese.

Doppellektion 5 10‘ 10‘ 10‘ 5‘

A

Ta / SBa MI.1.3.h MI.2.1.i MI2.2.g MI.2.2.h

Transferaufgabe Problemstellung Die Problemstellung im Dossier wird gemeinsam gelesen und besprochen. Der universelle Roboterassistent ROLF soll neu programmiert werden:

Per Tastendruck wird ROLF gestartet.

Er fährt geradeaus.

Aus Sicherheitsgründen piepst er ein Mal pro Sekunde.

Sobald etwas ROLF den Weg versperrt, hält er an und wartet, bis es vor ihm verschwindet.

Aus organisatorischen Gründen zählt er, wie oft sich ihm etwas in den Weg gestellt hat.

In der dunklen Ladestation hält ROLF an und wartet.

Per Tastendruck wir ROLFs Programm beendet.

Hypothesenbildung Die SuS bilden Hypothesen zur Lösungsfindung und schreiben diese einzeln in ihrer Strukturierungshilfe im Dossier auf. Modellentwicklung Als nächster Schritt entwickeln die SuS ein mögliches Modell zur Lösung ihres Problems und zeichnen dieses in der Strukturierungshilfe im Dossier einzeln auf. Dabei werden die einzelnen Programmbausteine in einer Reihenfolge dargestellt, so dass ein ganzes Programm entsteht. Als Hilfe dienen die Sprachbausteine bei der Problemstellung und die Hilfestellung Software und Roboter EV3 mit den wichtigsten Befehlen als Übersicht. Arbeitsplatz einrichten An einem freien Pult legen die SuS das für sie notwendige Material aus den JuNT-Kisten bereit:

KU EA / GA EA / GA EA / GA

9 Notebooks inkl. EV3-Software und Ladekabel, 9 Computermäuse, 18 Kopfhörer, 9 Y-Adapter, 9 Roboter EV3-Basismodell mit USB-Verbindungskabel, Schreibzeug, 9 Hilfestellungen Software und Roboter EV3, Transferaufgabenstellung im Dossier




25‘ 10‘ 10‘


1 Computermaus



1 Bereichskapitel 1-3 aus den 3 Ordnern


Zusätzlich für den Bereich 2: Muskeln einen Tennisball

Zusätzlich für den Bereich 3: Sinne eine Taschenlampe.

Schreibzeug Überprüfung der Hypothesen / Lösungsfindung Die erstellten Hypothesen werden überprüft und die Leitfragen der Problemstellung des Bereichs beantwortet. Ergebnisse festhalten Im Anschluss versucht die Gruppe eine Lösung für das Teilproblem zu entwickeln und hält dies im Dossier fest (aufschreiben oder Lösung ausdrucken und aufkleben). Diese Ergebnisse werden der LP abgegeben. Aufräumen



Die LP lädt die Roboter im Anschluss auf und kontrolliert, ob wirklich alle Programme und Daten gelöscht wurden.

EA / GA EA / GA KU

10‘ A

FBa MI.1.3.h MI.2.1.i MI2.2.g MI.2.2.h

Arbeitsrückblick Gemeinsam wird das Arbeiten mit Robotern bzw. mit Programmen ausgewertet: Was war schwierig? Was haben die Schülerinnen und Schüler gelernt?

KU




Fachdidaktische Hinweise zur Durchführung: Arbeit an den Problemstellungen in den Kleingruppen:

Bei grösserem Bedarf an Führung und Struktur, können alle Gruppen dieselben Bereiche zeitgleich lösen und die LP gibt die einzelnen Teilschritte in der Planung und

Durchführung vor. Dies hat sich vorwiegend bei schwächeren Niveaugruppen als hilfreich erwiesen.

Mögliche Verschiebungen in der Planung können durch mehr oder weniger bearbeitete Bereiche der einzelnen Gruppen ausgeglichen werden.

Optional kann anstelle der Transferaufgabe in der Doppellektion 5 an den Bereichen Muskeln, Sinne, Gehirn weitergearbeitet werden.

Technische Hürden:

Häufige Probleme treten in Zusammenhang mit den falschen Portansteuerungen auf (vgl. S. 9). Lassen Sie daher immer zunächst die Port-Anschlüsse am Roboter und

beim Programmierblock kontrollieren. In seltenen Fällen müssen die Verbindungskabel ausgewechselt werden.

Beantworten Sie technisch auftretende Probleme nicht sofort, sondern geben Sie Denkanstösse, wie die SuS das Problem selber beheben könnten. Beim technischen

Experimentieren gehört die Fehlersuche zum Lernprozess dazu.

Wenn Sie selber nicht mehr weiterkommen, suchen Sie via Internet (LEGO-Hilfe), im LEGO-Programm oder in der LEGO-Anleitung nach Hilfe.

Sammeln Sie wiederkehrende technische Probleme aus den Gruppen im Plenum, z.B. an der Wandtafel / Whiteboard oder in einer digitalen Lernumgebung.

Besprechen Sie Lösungswege und halten diese mit den SuS für alle sichtbar fest.

Programmierfehlersuche:

Erinnern Sie die SuS immer wieder daran, dass sie ihre Programme speichern. Abstürze der Software können vorkommen.

Der Greifarm im Bereich Muskeln muss für die Bausteinbearbeitung offen sein, also nach unten geklappt werden. Dies ist bei der Materialübersicht im Bereich Muskeln,

Baustein 2 vermerkt.

Um bei einer Programmiersequenz den Fehler zu finden bzw. die Abfolge nachvollziehen zu können, hat sich folgende Hilfestellung bewährt (Prof. Dr. Jürg Peter Keller,

FHNW): Vor jeden Programmierblock wird zusätzlich ein Klangblock mit einer anderen Sequenz eingefügt. Beim Testen des Programms kann so abgezählt werden, an

welcher Stelle die Programmierung nicht korrekt läuft.




Hintergrundinformationen

Mensch + Gesellschaft Was sind Roboter? Eine mögliche Definition: Die Bedeutung des Wortes Roboter hat sich stetig weiterentwickelt. Früher hatte man von technischen Wunderwerken, Maschinen oder Automaten gesprochen. Erst ab 1920 kommt der heute bekannte Begriff Roboter auf, welcher vom tschechischen Schriftsteller Karel Čapek geprägt wurde. Er beschreibt nämlich in seinem Theaterstück „R.U.R.“ menschenähnliche Automaten, die ihren Herren die Arbeit abnehmen. Er nennt diese Automaten robota, was übersetzt so viel wie Zwangsarbeit oder Arbeit unter einem Herrn heisst. Streng genommen heisst Roboter also nichts anderes als Diener, Sklave. Der Begriff setzt sich durch: Neue, programmierbare Maschinen, die dem Menschen Arbeit abnehmen, werden fortan Roboter genannt. Eine über alle Wissenschaften eindeutige Definition zum Begriff Roboter gibt es aber bis heute nicht (vgl. GEOlino Extra, 2015, S. 6 ff.). Eine Möglichkeit einen Roboter zu definieren ist über seine Bestandteile. Ein Roboter besitzt immer einen Körper. Dieser weisst folgende Bauteile auf:

Gehirn (Steuerung: Mikrokontroller, Software…)

Muskeln (Aktoren: Motoren, Räder, Soundgenerator, LED…)

Sinne (Sensoren: Helligkeit, Druck, Infrarot, Mikrophon, Kamera…)

Energieversorgung (Batterie, Akku, Solarpanels…)

Aus seinem Aufbau lässt sich folgende Definition ziehen: Ein Roboter ist…

… ein künstliches Gerät, das seine Umgebung wahrnimmt und gezielt in und mit ihr agiert.

… eine verkörperte künstliche Intelligenz (KI).

… eine Maschine, die selbstständig arbeiten kann.

Diese Definitionen umfassen aber keinesfalls alle Roboter. Die Definitionen und der Aufbau streichen aber die Schlüsseleigenschaften von Robotern hervor. Grundsätzlich ist der Roboter also eine intelligente Maschine, die selbständig eine ihr aufgetragene Arbeit ausführen kann (vgl. HNF Museum, 2016). Dies geschieht in Form von Algorithmen. Roboter in unserem Alltag Roboter durchdringen unseren Alltag. Auch dort, wo wir dies vielleicht auf den ersten Blick nicht vermuten würden. Kaufen wir in der Migros oder dem Coop ein Brötchen, kann es beispielsweise gut sein, dass wir die ersten Menschen sind, die Hand an dieses Brötchen legen. Der Weizen wird mit automatischen Mähdrescher geerntet. Diese riesigen Roboter orientieren sich mit Hilfe von Satelliten auf zwei Zentimeter genau. Ist der Mähdrescher voll, lehrt er seinen Inhalt automatisch in den bereitstehenden Lastwagen. Dieser wird immerhin noch von einem Menschen gefahren. Mit dem Lastwagen geht es weiter zur Mühle. Nachdem ein Arbeiter eine Getreideprobe genommen hat, übernehmen wieder die Roboter. Automatisch wird der Lastwagen entladen, das Getreide verschwindet im Betonschlund und gelangt über Rohre in die eigentliche Mühle. Siebe und Druckluft trennen hier das Korn von allen Verunreinigungen. Besonders extrem: Beim Mahlen von Hartweizen wird jedes Korn einzeln unter die Lupe genommen. Die Körner rasen vor einer Kamera vorbei. Ist eines zu gross, zu klein oder verfärbt pustet es ein Roboter mit Hilfe von Druckluft einfach weg. Nachdem automatische Mühlen das Korn gemahlen haben, kommt das Korn in die Brotfabrik. Auch hier mischen nur noch Roboter den Teig, backen das Brot. Bäcker kontrollieren allenfalls noch die Qualität oder bedienen die Maschinen. Das fertig gebackene Brot wir dann noch automatisch verpackt, verladen und zum Grossverteiler gebracht (GEOlino Extra, 2015, S. 26 ff.). Weitere Beispiele dazu nach Kategorien: Haushalt: Im modernen Haushalt werden oft als mühsam betrachtete Hausarbeiten vermehrt durch elektronische Hausdiener ausgeführt. Der Staubsaugerroboter saugt den Boden, der Rasenmähroboter mäht den Rasen auf eine gewünschte Länge und der Fensterputzroboter lässt die Fenster wieder sauber erscheinen. Alleine im Jahr 2008 wurden weltweit über eine Million Staubsaugerroboter verkauft. Mit der voranschreitenden Industrie 4.0 werden einige zusätzliche technische Errungenschaften Einzug in unseren Alltag halten.




Beispiel: Armar 3 soll in Zukunft ein vollumfänglicher Haushaltsdiener werden. Zurzeit laufen Forschungsarbeiten in Karlsruhe dazu (KIT) (vgl. Hämmerle & Tust, 2013, S. 24 f.).

Industrie / Betriebe: Industrieroboter verschweissen und verschrauben in der Autoindustrie die Karosserie. Sie haben dabei fast schon 80% ihrer menschlichen Kollegen ersetzt.

Beispiel: Einer der bekanntesten Industrieroboter ist KK 1000 Titan. Wie die meisten Industrieroboter besteht er aus einem orangen Gehäuse und einem beweglichen Arm (Freiheitsgrade) mit dem er bis zu 1‘000 Kilo Gewicht heben kann (vgl. Hämmerle & Tust, 2013, S. 16 f.).

Auf Grossbauernhöfen melkt nicht mehr der Bauer sondern der Melkroboter die Kühe. Vorteil: Die Kuh kann selbst entscheiden, wann sie gemolken wird. Dies erhöht auch die Menge der Milch die abgegeben wird. Grosse Warenlager, beispielsweise von Amazone, sind heute schon vollautomatisch. Roboter verstauen und hohlen die Waren, Menschen sind keine mehr zu finden.

Medizin: In Krankenhäusern verrichten weltweit bereits etwa 7‘000 Operationsroboter ihre Pflicht. Ihre Schnitte sind kleiner und präziser. Tendenz steigend.

Beispiel: DaVinci wird als telerobotischer Assistent bei Operationen eingesetzt. Dabei steuert der Chirurg den Roboter von einem Monitor aus mit einem Joystick (vgl. Hämmerle & Tust, 2013, S. 23).

Forschung: Forschungsroboter dringen in wenig bekannte Gebiete vor, wo der Mensch nicht oder nur schwer überleben könnte. Etwa den Mars oder die Tiefsee.

Beispiel: Der Roboter Curiosity erforscht den Planeten Mars seit 2012. Er besteht aus sechs Rädern und beinhaltet zehn Messgeräte (vgl. Hämmerle & Tust, 2013, S. 18 f.).

Roboter nehmen uns gefährliche Arbeiten ab. Etwa in dem sie Bomben entschärfen oder Feuer löschen (vgl. GEOlino Extra, 2015).

Roboter erfüllen also bestimmte Funktionen in diversen Arbeitsbereichen. Dies insbesondere dann, wenn die Arbeit monoton, anstrengend oder besonders gefährlich ist. Ausserdem helfen uns Roboter unerschlossene und schwer zugängliche Gebiete zu erforschen. Ziel ist dabei meist eine Effizienzsteigerung und damit die Kostenreduktion (vgl. SRF, 2015). Ziel: Künstliche Intelligenz Ziel in der Robotik ist es schon lange, immer intelligentere und menschenähnlichere Roboter zu erschaffen. Denn nur so können Roboter auch Arbeiten abnehmen, die etwa Kreativität oder Individualität erfordern. Unter Intelligenz wird allgemein die Fähigkeit verstanden, dass Probleme in unbekannten Situationen gut gelöst werden können (vgl. Hämmerle & Tust, 2013, S. 14). Der Begriff der klassischen Künstlichen Intelligenz kam in den USA im Jahre 1956 auf und hielt sich bis in die 80er Jahre. Dabei ging es weniger darum das Denken an sich als vielmehr die Resultate eines Denkprozesses sichtbar zu machen. Ziel war es ein System zu kreieren, das unter bestimmten Situationen „intelligente“ Entscheidungen treffen kann. Diese Systeme nannte man Experten Systeme. Sie waren mit bestimmten Regeln programmiert, die es ihnen ermöglichte in gegebenen Situationen Entscheidungen zu treffen. So könnte ein solches System anhand von bestimmten Symptomen beispielsweise eine Krankheit erkennen (vgl. HNF Museum, 2016). Solche Systeme sind aber keineswegs intelligent, sie scheinen es nur zu sein. Stellen wir uns folgende Situation vor: Eine Person ist in einem Raum eingeschlossen. Der Raum hat zwei Fenster. Durch eines erhält die Person ein Blattpapier mit chinesischen Schriftzeichen. Durch das andere Fenster soll die Person die Antwort auf die Frage herausgeben, ebenfalls auf Chinesisch. Zusätzlich hat die Person einige Regeln auf Deutsch in dem Raum, die ihr ganz genau sagen, wie er mit den chinesischen Fragen umgehen soll. Jeder ausserhalb des Raumes würde daher denken, dass die Person in dem Raum Chinesisch versteht. In Tat und Wahrheit ist dies aber nicht der Fall. Dieses Gedankenexperiment wurde vom Philosophen John Searle aufgestellt und ist unter dem Namen Chinesischer Raum bekannt. Es zeigt sehr eindrücklich, dass nur weil ein Roboter intelligent erscheint, dieser noch lange nicht intelligent ist (vgl. HNF Museum, 2016)! Ein weiterer Weg zur Künstlichen Intelligenz ist das künstliche Gehirn. Hubert Dreyfus geht etwa davon aus, dass „wenn das Nervensystem gewissen Regeln der Physik und Chemie folgt, und wir haben jeden Grund dazu zu glauben, dass es so ist, dann sollten wir im Stande sein das Verhalten (eines Gehirns) mit einem physikalischen Gerät zu reproduzieren“. Theoretisch könnte dies dann sogar soweit führen, dass Roboter auch Emotionen erlangen könnten (vgl. Levin, 2016).




Doch ab wann ist ein Computer oder ein Roboter überhaupt intelligent? Um diese Frage zu beantworten braucht man den sogenannten Turing Test: Wenn ein Proband mit einem Roboter und einem anderen Menschen kommuniziert (ohne dass sich die Kommunikationspartner sehen können) und der Proband nicht erkennen kann, welcher der beiden Kommunikationspartner der Mensch und welcher der Roboter ist, gilt der Turing Test als bestanden. Grundgedanke ist folgender: Wenn die Maschine sich so intelligent verhält wie ein Mensch, dann muss sie auch so intelligent sein wie ein Mensch (vgl. Levin, 2016).

Gefahren im Umgang mit Robotern und künstlicher Intelligenz Auf den ersten Blick bringen Roboter nur Vorteile mit sich. Doch insbesondere das Streben nach immer intelligenteren Robotern birgt auch Gefahren in sich:

Arbeitslosigkeit: Wenn Roboter immer intelligenter werden, können sie auch immer mehr Arbeiten ausführen. So könnten im Jahr 2025 bereits 48% der Jobs in der Schweiz von Robotern ausgeführt werden. Zu diesem Schluss kommt etwa eine Studie im Auftrag des „ECO“. Dies muss nicht zwingend negativ sein. Immerhin: Wenn die Wirtschaft weniger (menschliche) Arbeitskräfte braucht, können wir unsere Zeit für andere Dinge verwenden. Allerdings muss aufgepasst werden, dass sich die Welt nicht in eine Zweiklassengesellschaft aufteilt. Diejenigen die sich einen Roboter leisten können, der ihnen die Arbeit abnimmt und diejenigen die weiterhin arbeiten müssen (vgl. Levin, 2016; Strizel, 2015).

Technological Singularity: Gelingt es uns eine Maschine zu erzeugen, die intelligenter ist als jeder Mensch, sollte es dieser Maschine einfacher fallen, noch intelligentere Maschinen zu bauen. Es kommt ohne Frage zu einer Intelligenz-Explosion, die Intelligenz des Menschen bleibt dabei weit zurück, er wird „überholt“ (vgl. Levin, 2016).

Menschliche Evolution zum Cyborg: Cyborgs sind halb Maschine, halb Mensch. Es besteht die Gefahr, dass neuste Maschinen die Leistungsfähigkeit des Menschen übertreffen können. Der Mensch muss also zum Cyborg werden andernfalls wird er ebenfalls „überholt“ (vgl. Levin, 2016).

Ethisch fragwürdige Zwecke: Roboter werden zu ethisch fragwürdigen Zwecken eingesetzt, etwa zum Töten von Menschen. Eine solche Entwicklung kann heute allenfalls bei dem Einsatz von Drohnen oder anderen Kampfrobotern beobachtet werden. Allerdings sind diese bis jetzt noch von Menschenhand ferngesteuert und treffen Entscheidungen noch nicht autonom.

Die folgend aufgeführten Gesetze sollen vor Missbrauch und den damit verbundenen Gefahren der Robotik schützen. Prinzipiell gelten in der Robotik seit 1942 (nach dem Schriftsteller Isaac Asimov) folgende Gesetze (vgl. Hämmerle & Tust, 2013, S. 28):

1. Ein Roboter darf keinen Menschen verletzen oder durch Untätigkeit zu Schaden kommen lassen.

2. Ein Roboter muss den Befehlen eines Menschen gehorchen – ausser sie widersprechen dem 1. Gesetz.

3. Ein Roboter muss sein eigenes Dasein schützen – solange dies nicht dem Gesetz 1 oder 2 widerspricht.

Warum wissen Roboter, was sie tun müssen? Einfach ausgedrückt machen Roboter ganz genau das, was man ihnen befiehlt. Einen Roboter mit freiem Willen gibt es (noch) nicht. Dabei gilt, je komplexer die Befehle sind die der Roboter erhält, je komplexer können seine Aktionen ausfallen, je „intelligenter“ wirkt der Roboter. Eine Anreihung von Befehlen, die in einem Programm für den Roboter / Computer zusammengeführt werden, nennt man Algorithmus (Berechnungsverfahren). Darin befindet sich einfach gesagt eine Anleitung was, womit und wie der Roboter bestimmte Funktionen ausführen soll. Ein Beispiel aus dem Alltag dazu wäre ein Back- oder Kochrezept oder eine Bastelanleitung. Beispielsweise könnte ein Roboter folgenden Algorithmus in Form eines für ihn geschriebenen Programms erhalten: Wenn ich auf Start drücke, gehe solange geradeaus bis du 30 Zentimeter vor einer Wand / einem Gegenstand bist und stoppe dann. Dieser in deutscher Sprache gefasste Algorithmus muss nun für den Roboter / den Computer verständlich formuliert werden. Dazu bedient sich die Informatik der sogenannten Programmiersprachen, welche anschliessend u.a. von Compilern (engl. zusammentragen) in die Maschinensprache der Computer / Roboter übersetzt werden.




Die Binärsprache (Maschinensprache) Der Roboter / Computer erkennt nur zwei Zustände: Es fliesst Strom (1) oder es fliesst kein Strom (0). Aus Folgen von Nullen und Einsen entstehen Buchstaben, Zahlen und Zeichen. So steht Beispielsweise 01100001 für den Buchstaben A (vgl. Wikipedia, 2016). Vollständige Befehle im Binärcode zu übertragen fällt uns Menschen aber alles andere als leicht. Daher bedienen wir uns sogenannten Programmiersprachen. Programmiersprache Programmiersprachen sind künstlich geschaffene Sprachen, meist in Gestalt von Textkürzeln oder Bildern. Mit Hilfe dieser Programmsprachen können über einen Programmgenerator nun Programme geschrieben werden. Unter einem Programm (Algorithmus) versteht man eine Folge von Befehlen, die einem Computer oder Roboter die Vorgehensweise bei der Abarbeitung einer Aufgabe genauestens mitteilen (vgl. IT-Wissen, 2016). Mit Hilfe einer Programmiersprache und einem passenden Compiler werden die Programme (Algorithmen) für den Roboter verständlich übertragen.

Abbildung 3: Transformationen des Algorithmus vom Menschen hin zur Maschine

Im Umgang mit Programmiersprachen gibt es grundlegende Strukturen und Begriffe die man in jeder Programmiersprache antrifft. Im Rahmen der Robotik-Boxen sind folgende wichtig:

Schleife: Eine Schleife wird immer dann verwendet, wenn Befehle wiederholt werden sollen. Schleifen können dabei dafür sorgen, dass Befehle unendlich lange, eine bestimmte Anzahl oder Zeit wiederholen oder bis ein bestimmtes Ereignis eintritt. Beispielsweise könnte ich den Befehl „Ein Schritt nach vorne“ 10 Mal wiederholen, wenn ich will, dass sich der Roboter genau 10 Schritte nach vorne bewegt. Oder ich kann den Befehl solange wiederholen lassen, bis er auf ein Hindernis stösst.

Schalter: Man kann sich einen Schalter als eine Art Weiche vorstellen. Ist die Weiche nach rechts gestellt fährt der Zug nach rechts weiter. Ist sie nach links gestellt, fährt der Zug nach links weiter. Ganz ähnlich funktioniert dies auch beim Programmieren: Kommt das Programm nämlich an eine Weiche (bzw. Schalter), fährt es auch so weiter wie die Weiche (bzw. der Schalter) gestellt ist. So könnte ein Schalter einem Roboter etwa folgendes befehlen: „Wenn kein Hindernis vor dir steht, läufst du einen Schritt nach vorne. Ansonsten bleibst du stehen“ (Natürlich muss dieser Schalter noch in einer Schleife platziert werden, ansonsten wird der Roboter nur einmal kontrollieren ob vor ihm ein Hindernis steht oder nicht und somit maximal einen Schritt nach vorne machen.).

Variable: Eine Variable ist ein Platzhalter bzw. Register für verschiedene Werte einer bestimmten Funktion in einem Programm. Meist ist der Wert eine Zahl. Dieser Wert kann aber vom Roboter/Computer verändert werden. Ein Programm (und somit ein Roboter) kann sehr viele verschiedene Variablen enthalten. Damit man jeweils weiss, von welcher Variable man spricht, gibt man den Variablen einen Namen, zum Beispiel „Schritte“. Der Roboter hat also zum Beispiel die Variable „Schritte“. Diese hat zu Beginn den Wert 0. Der Roboter kann diesen Wert nun aber verändern. So kann er zum Wert der Variablen „Schritte“ beispielsweise nach jedem gemachten Schritt +1 dazu addieren. Am Schluss könnte der Roboter dann die Variable „Schritte“ laut vorlesen. Somit würde er genau sagen, wie viele Schritte er gelaufen ist.




LEGO Mindstorms EV3 Roboter und Software Eine ausführliche Anleitung zum Umgang mit dem Roboter LEGO Mindstorms EV3 und der dazugehörenden Programmiersprache und -Umgebung finden Sie als Zusatzmaterial in den Robotikkisten oder unter: http://www.lego.com/de-de/mindstorms/downloads. Für den Einstieg mit den Schülerinnen und Schülern genügt die in den Kisten mitgelieferte Kurzanleitung.


http://www.lego.com/de-de/mindstorms/downloads



Musterlösungen Bereich Gehirn







Bereich Muskeln




Bereich Sinne

3 3 1

1

1

1




Transferaufgabe

1

1

1

3




1

1

1

1

1




Quellen Literatur GEOlino Extra. (2015). Roboter (52/2015). Hamburg: Gruner + Jahr. Hämmerle, S. & Tust, D. (2013). Abenteuer Roboter. Entdecke deine Welt. Wien: Annette Betz Verlag. HNF Museum (2016). Künstliche Intelligenz und Robotik - Visionen und Realität. Paterborn: Heinz Nixdorf

Museum. Abgerufen von http://www.hnf.de/museum/global-digital-1990-20xx/kuenstliche-intelligenz-und-robotik-visionen-und-realitaet.html [Version 20.01.2016]

It-Wissen (2016). Programm. Abgerufen von http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Programm-program.html [Version 14.01.2016]

It-Wissen (2016). Programmiersprache. Abgerufen von http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Programmiersprache-PL-programming-language.html [Version 14.01.2016]

Levin, J. (2016). Theory of Knowledge Artificial Intelligence [Prezi]. https://prezi.com/faurogywbx65/theory-of-knowledge-artificial-intelligence/ [Version 14.01.2016]

Schweizer Radio und Fernsehen SRF (Hrsg.). (2015). «ECO Spezial»: Wenn Roboter den Menschen ersetzen. Zürich: SRF. Abgerufen von http://m.srf.ch/sendungen/eco/eco-spezial-wenn-roboter-menschen-ersetzen [Version 11.09.2015]

Strizel, H. (2015). In jedem zweiten Job wird der Mensch überflüssig. Abgerufen von http://m.srf.ch/news/wirtschaft/in-jedem-zweiten-job-wird-der-mensch-ueberfluessig [Version 11.09.2015]

Wikipedia (Hrsg.). (2016). Binärcode. Abgerufen von https://de.wikipedia.org/wiki/Bin%C3%A4rcode [Version 14.01.2016]

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Mädchen programmieren einen Roboter, FDIN PHLU 1 Fachdidaktik Informatik (Hrsg.). Impressionen der Robotiktage 2016. Luzern: Pädagogische Hochschule. Die folgenden Bilder dürfen dank der Einverständniserklärung der Erziehungsberechtigten für Aus- und Weiterbildungszwecke durch die PH Luzern verwendet werden. Abbildung 2: Jungen testen die für den Roboter entwickelten Programme, FDIN PHLU 4 Fachdidaktik Informatik (Hrsg.). Impressionen der Robotiktage 2016. Luzern: Pädagogische Hochschule. Die folgenden Bilder dürfen dank der Einverständniserklärung der Erziehungsberechtigten für Aus- und Weiterbildungszwecke durch die PH Luzern verwendet werden. Abbildung 3: Transformationen des Algorithmus vom Menschen hin zur Maschine 27 Der Roboter rechts auf der Abbildung stammt aus: OpenClipart (2016). Blue_Robot: Abgerufen von https://openclipart.org/detail/191072/blue-robot [Version 14.01.2016]


https://openclipart.org/detail/191072/blue-robot

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Projekt «Junge Naturwissenschaften und Technik in der ...robotik.phlu.ch/wordpress_d/wp-content/uploads/2017/05/JuNT_U... · Abbildung 2: Jungen testen die für den Roboter entwickelten