Wie funktioniert der Roboter?

Worum geht es?

Wie funktioniert der Roboter? ist eine Unterrichtsreihe, die für die Grundschule konzipiert wurde und die für das Fach Informatik relevanten Themenbereiche Algorithmik und Programmierung zum Gegenstand hat. Zwar haben die Kinder keine direkten Erfahrungen mit Robotern und deren Einsatzgebieten in der Industrie oder Dienstleistungsbereichen, allerdings kann davon ausgegangen werden, dass die Schüler/innen erste Vorstellungen zu Robotern aus Geschichten, Erzählungen, Bildern und Filmen sowie im Umgang mit Spielzeugen entwickelt haben.

Zielsetzung

An diese begrifflich noch diffuse Präkonfiguration des Begriffs „Roboter“ der Kinder möchte das Modul anknüpfen, um das Konzept „Roboter“ in der Vorstellungswelt der Schüler/innen im informatischen Sinne begrifflich weiterzuentwickeln und schrittweise zu präzisieren. Durch spielerisches Ausprobieren und Experimentieren können sich die Kinder mittels eines didaktischen „unplugged“-Ansatzes, zunächst ganz ohne den Einsatz von Informatiksystemen (Computern, Robotern), erste Schritte der Programmierung erschließen. Auf diese Weise lernen sie im Rollenspiel und mit selbst gebastelten Robotern Algorithmik und Programmierung als wichtige Konzepte der Informatik kennen und verstehen. Am Beispiel des Roboters wird für sie erfahrbar, dass konkrete und präzise Handlungsanweisungen zur Steuerung benötigt werden, daher ein Übergang von der oft unpräzisen Alltagssprache zu einer formal und semantisch eindeutigen „Steuerungs-Sprache“ erforderlich ist.

Zu erwerbende Kompetenzen

Folgende übergeordnete Kompetenzen können im Rahmen der Unterrichtseinheit erlernt werden:

Anknüpfungspunkte an die Informatik Standards für die Primarstufe der GI

	Die Schülerinnen und Schüler ...	Inhaltsbereich	Prozessbreich
R-K1	erklären, dass ein Roboter präzise Befehle als Eingabe benötigt.	Algorithmen & Programmierung	Kommunizieren & Kooperieren
R-K2	erstellen Abläufe zur Steuerung eines Roboters mithilfe vorgegebener Befehle auf Karten oder Bausteinen.	Information & Daten	Modellieren & Implementieren
R-K3	benennen und formulieren präzise Handlungsvorschriften.	Algorithmen & Programmierung	Modellieren & Implementieren, Darstellen & Interpretieren
R-K4	erklären gelesene Handlungsvorschriften und -abläufe für die Steuerung eines Roboters.	Algorithmen & Programmierung	Modellieren & Implementieren, Kommunizieren & Kooperieren
R-K5	interpretieren Handlungsvorschriften und -abläufe korrekt und führen sie schrittweise richtig aus.	Sprachen & Automation, Algorithmen & Programmierung	Modellieren & Implementieren, Darstellen & Interpretieren
R-K6	formulieren Fragen zur Steuerung eines Roboters.	Information & Daten, Algorithmen & Programmierung	Modellieren & Implementieren, Kommunizieren & Kooperieren
R-K7	ordnen Bestandteile eines Roboters der Eingabe, der Verarbeitung und der Ausgabe zu.	Informatiksysteme	Darstellen & Interpretieren
R-K8	erläutern Verbindungen zwischen den Themen der Unterrichtseinheit Robotik und ihren Alltagsvorstellungen.	Algorithmen & Programmierung	Strukturieren & Vernetzen

(Genaue Erläuterungen der Inhalts- und Prozessbereiche finden Sie in den Informatikstandards der GI für die Primarstufe[1] und in der Expertise zur frühen informatischen Bildung der Stiftung Haus der kleinen Forscher[2]).

[1] Kompetenzen für informatische Bildung im Primarbereich https://www.informatikstandards.de/docs/v142_empfehlungen_kompetenzen-primarbereich_2019-01-31.pdf (letzter Zugriff: 17.06.2019)

[2] Stiftung Haus der kleinen Forscher (Hrsg.), Frühe informatische Bildung- Ziele und Gelingensbedingungen für den Elementar- und Primarbereich, 2018, Verlag Barbara Budrich http://dx.doi.org/10.3224/84742107 (letzter Zugriff: 17.06.2019)

Verknüpfung mit dem Medienkompetenzrahmen NRW

Im 2017 aktualisierten Medienkompetenzrahmen Medienpass NRW wurde der Bereich „Problemlösen und Modellieren“ hinzugefügt. In diesem neu geschaffenen Kompetenzbereich ist das vorliegende Modul „Wie funktioniert ein Roboter?“ verortet.

6.1: Prinzipien der digitalen Welt

Die Kinder sollen grundlegende Prinzipien und Funktionsweisen der digitalen Welt identifizieren, kennen, verstehen und bewusst nutzen (Medienberatung NRW 2018).

Im Modul beschäftigen sich die Kinder mit dem grundlegenden EVA-Prinzip. (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe).

6.2: Algorithmen erkennen

Algorithmische Muster und Strukturen in verschiedenen Kontexten erkennen, nachvollziehen und reflektieren (Medienberatung NRW 2018).

Zur Vorbereitung auf das selbstständige Anfertigen von Algorithmen zum Steuern des Roboters besprechen die Kinder vorhandene Algorithmen und testen diese aus. Auch im späteren Verlauf des Moduls müssen die Kinder wieder Algorithmen nachvollziehen und reflektieren, da das selbst Anfertigen im späteren Verlauf des Moduls zu hohe Ansprüche an die Kinder stellt.

6.3: Modellieren und Programmieren

Probleme formalisiert beschreiben, Problemlösestrategien entwickeln und dazu eine strukturierte, algorithmische Sequenz planen. Diese auch durch Programmierung umsetzen und die gefundene Lösungsstrategie beurteilen (Medienberatung NRW 2018).

Dies ist der Schwerpunkt des Moduls. Die Kinder entwickeln Lösungen für Probleme, die sich dem Roboter stellen und modellieren einen algorithmischen Lösungsweg. Im Nachgang des Moduls können die Kinder auch an einen Computer wechseln und ihr erworbenes Wissen z.B. mit der kindgerechten Programmierumgebung Scratch weiter anwenden und vertiefen.

6.4: Bedeutung von Algorithmen

Einflüsse von Algorithmen und Auswirkung der Automatisierung von Prozessen in der digitalen Welt beschreiben und reflektieren (Medienberatung NRW 2018).

Diese Kompetenz steht nicht im Mittelpunkt des Moduls, lässt sich allerdings am Ende der Einheit (im Rückgriff auf die Erfahrungen und das Wissen der Kinder aus der 1. Stunde) beachten.

Quelle: Medienberatung NRW (Hrsg.), (2018). Medienkompetenzrahmen NRW. Verfügbar unter: https://medienkompetenzrahmen.nrw.de

Verknüpfung mit dem Lehrplan Sachunterricht

Laut Lehrplan hat der Sachunterricht als Teil des Bildungs- und Erziehungsauftrags die Aufgabe, die Schülerinnen und Schüler dabei zu unterstützen sich in ihrer Lebenswelt zurechtzufinden, sie zu erschließen, sie zu verstehen und sie verantwortungsbewusst mit zu gestalten (MSW 2008, S. 39). Hier setzt die Einheit zur Roboterprogrammierung an. Während Schülerinnen und Schüler im Bereich der Nutzung der informationstechnischen Medien oft bereits im Einschulungsalter sehr erfahren sind, bietet die Einheit zur Roboterprogrammierung zusätzlich die Möglichkeit, sich diesen Teil ihrer Lebenswirklichkeit selbst zu gestalten.

Die Aufgabe des Sachunterrichts ist es, die intensive Auseinandersetzung mit wissenschaftlichen und technischen Inhalten von Beruf und Arbeitswelt, zu forcieren (MSW 2008, S.39). Dies unterstützt die Unterrichtseinheit, da die Schülerinnen und Schüler durch die gegebenen Aufgabenstellungen dazu angeregt werden, Fragen zu formulieren und diese zu erforschen.

Der Unterrichtsgegenstand findet sich im Bereich „Technik und Arbeitswelt“ (MSW 2008, S.41). Das Ziel dieses Bereichs ist es, den Schülerinnen und Schülern die Bedeutung menschlicher Arbeit durch die Erkundung von Arbeitsbedingungen und -situationen näher zu bringen (MSW 2008, S.44f.).

Quelle: Ministerum für Schule und Weiterbildung des Landes NRW (Hrsg.), (2008). Lehrplan Sachunterricht für die Grundschulen des Landes Nordrhein-Westfalen.

Verknüpfung mit dem Lehrplan Mathematik

Die Unterrichtsreihe fördert zudem verschiedene prozess- und inhaltsbezogene Kompetenzen, die im Lehrplan Mathematik für die Grundschule in Nordrhein-Westfalen gefordert werden. Insbesondere folgende Kompetenzen werden angesprochen:

Prozessbezogene Kompetenzen

Problemlösen/kreativ sein

Die Schülerinnen und Schüler...

...entnehmen Problemstellungen die für die Lösung relevanten Informationen und geben Problemstellungen in eigenen Worten wieder (erschließen)

...probieren zunehmend systematisch und zielorientiert und nutzen die Einsicht in Zusammenhänge zur Problemlösung (lösen)

...überprüfen Ergebnisse auf ihre Angemessenheit, finden und korrigieren Fehler, vergleichen und bewerten verschiedene Lösungswege (reflektieren und überprüfen)

...übertragen Vorgehensweisen auf ähnliche Sachverhalte (übertragen)

...erfinden Aufgaben und Fragestellungen (z. B. durch Variation oder Fortsetzung von gegebenen Aufgaben) (variieren und erfinden)

Darstellen/Kommunizieren

Die Schülerinnen und Schüler...

...halten ihre Arbeitsergebnisse, Vorgehensweisen und Lernerfahrungen fest (z.B. im Lerntagebuch) (dokumentieren)

...entwickeln und nutzen für die Präsentation ihrer Lösungswege, Ideen und Ergebnisse geeignete Darstellungsformen und Präsentationsmedien wie Folie oder Plakat und stellen sie nachvollziehbar dar (z.B. im Rahmen von Rechenkonferenzen) (präsentieren und austauschen)

...bearbeiten komplexere Aufgabenstellungen gemeinsam, treffen dabei Verabredungen und setzen eigene und fremde Standpunkte in Beziehung (kooperieren und kommunizieren)

...übertragen eine Darstellung in eine andere (zwischen Darstellungen wechseln)

Inhaltsbezogene Kompetenzen

Bereich: Raum und Form

Schwerpunkt: Raumorientierung und Raumvorstellung

Die Schülerinnen und Schüler...

...orientieren sich nach mündlicher Anweisung im Raum (z B. zwei Schritte nach rechts)/orientieren sich nach einem Wegeplan im Raum

...beschreiben Wege und Lagebeziehungen zwischen konkreten oder bildlich dargestellten Gegenständen/beschreiben räumliche Beziehungen anhand von bildhaften Darstellungen, Anordnungen, Plänen etc. und aus der Vorstellung

...bewegen ebene Figuren und Körper in der Vorstellung und sagen das Ergebnis der Bewegung vorher (z. B. Kippbewegungen eines Würfels)

Quelle: Ministerum für Schule und Weiterbildung des Landes NRW (Hrsg.), (2008). Lehrplan Mathematik für die Grundschulen des Landes Nordrhein-Westfalen.

Aufbau der Unterrichtsreihe

Thema der Einheit	Kurzbeschreibung	Zeit (ca)
Vorbereitung „Wir bauen uns einen Roboter!“	Die SuS konstruieren sich aus einfachem Material einen Roboter für die Arbeit am Forscherheft.	1 Doppelstunde
Einführung „Ein Roboter braucht präzise Befehle!“	Die SuS aktualisieren ihre Vorkenntnisse zum Thema „Roboter“ und erarbeiten handlungsorientiert, wie sinnvolle Befehle aufgebaut sind.	1 Doppelstunde
Arbeit am Forscherheft „Wir programmieren die Roboter!“	Die SuS lernen grundlegende Konstrukte der Programmierung kennen und wenden diese zunehmend gezielter an.	1 Doppelstunde
Vertiefung "Unser Roboter kann...!"	Die SuS gestalten und präsenatieren komplexere Algorithmen und überprüfen diese kriteriengeleitet.	1 Doppelstunde

Durch einen Klick auf die Themen der Einheiten gelangen Sie zu den detaillierten Stundenverläufen dieser Unterrichtsreihe.

Hinweise zum Unterricht

Die Unterrichtseinheit „Wie funktioniert der Roboter?“ kann durch die Unterrichtsreihe „Ein Blick in den Computer“ ergänzt werden. In dieser werden die Bauteile eines Computers und deren Zusammenspiel thematisiert. Anknüpfungspunkt bietet hierbei das EVA-Prinzip, das Gegenstand beider Module ist. Durch den Vergleich der Vorgehensweisen innerhalb eines Roboters und eines Laptops/Computers kann Verständnis dafür geschaffen werden, dass diese sich in allen Informatiksystemen ähneln.

Die Unterrichtseinheit „Ozobot - Roboter verstehen, gestalten und beurteilen“ kann als Ergänzung, aber auch alternativ zur Einheit „Wie funktioniert der Roboter?“ verwendet werden. Hier werden ähnliche Inhalte, allerdings anhand des Lernroboters Ozobot, thematisiert. Insgesamt vertieft das Vorgehen mit dem Ozobot die Inhalte etwas mehr und greift zudem konstruktiv die gesellschaftliche Dimension von Robotern auf.  

Ergänzend bietet sich zudem die Arbeit mit den Lernrobotern Bee-Bot oder Blue-Bot an. Mit diesen können die in dieser Unterrichtseinheit gelernten Kompetenzen auf einen „richtigen“ Roboter übertragen werden.