Robotik und Programmierung im Unterricht » Zukunftsweisende Lehrinhalte für Schule und Ausbildung
Aktualisiert: 17.09.2024 | Lesedauer: 6 Minuten
Seit Generationen waren Lesen, Schreiben und Rechnen die wichtigsten Kernkompetenzen, die Schülerinnen und Schülern vermittelt wurden.
Durch weitere Lehrinhalte wie Naturwissenschaften, Gesellschaftswissenschaften, Fremdsprachen, musische Fächer, Sport und Religion wurde die schulische Ausbildung abgerundet. Allerdings reichen diese Bildungsangebote in der heutigen Zeit nicht mehr aus.
Mit der Einführung der MINT-Fächer (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik) haben die Schulen bereits einen großen Schritt in die richtige Richtung getan. Doch die technische Entwicklung geht unaufhaltsam weiter.
In der momentanen Arbeitswelt spielen individuelle Robotik, digitale Steuerungen und eine prozessabhängige Programmierung eine immer größere Rolle. Gerne erklären wir, warum es so wichtig ist, sich bereits in der Schule mit diesen Themen zu befassen.
Die Arbeitswelt war schon immer einem Wandel unterworfen. Die technische Weiterentwicklung ist dafür verantwortlich, dass wir heute viele Dinge anders machen, als noch vor ein paar Jahren. Besonders in der Fertigung werden mittlerweile die meisten manuellen und körperlich anstrengenden Tätigkeiten von Maschinen übernommen. Anfangs waren diese großen und teuren Industrieroboter nur für finanzkräftige Konzerne geeignet.
Mittlerweile gibt es auch kleine Fertigungsroboter, sogenannte Cobots, die mit den Menschen interagieren und die sich fast jeder Betrieb leisten kann. Bei der Einführung von neuen Technologien stoßen viele Unternehmen aber sehr schnell an Grenzen. Denn oftmals können sich Mitarbeitende nur sehr schwer an die Zusammenarbeit mit dem interaktiven Kollegen „Roboter“ gewöhnen. Ganz zu schweigen von der erforderlichen Bedienung, Einstellung oder Programmierung des Cobots.
Da ist es von Vorteil, wenn bereits Kinder und Jugendliche in der Schule die ersten praktischen Erfahrungen im Umgang mit programmierbaren Robotern sammeln können. Beim Einstieg ins Berufsleben sind dann keine Berührungsängste vorhanden und die Einarbeitung in neue und komplexere Systeme funktioniert in der Regel schnell und problemlos.
Grundsätzlich gilt: je früher, desto besser. Denn bereits im Vorschulalter sind sowohl Neugier als auch Lernbereitschaft und Kreativität sehr stark ausgeprägt. Gleichzeitig ist die Scheu vor etwas Neuem kaum vorhanden. Diese Kombination bietet ideale Voraussetzungen für einen spielerischen Einstieg in die Welt der Programmierung. Wenn dann noch mit kindgerechten Roboterbausätzen, Aufgabenstellungen und Methoden gearbeitet wird, gelingt der Einstieg in Technik und Digitalisierung quasi spielerisch.
Beim Erreichen der unterschiedlichen Lernziele werden zudem wichtige kognitive Fähigkeiten entwickelt und gefördert. Dazu zählen beispielsweise Aufmerksamkeit, Wahrnehmung, Konzentrationsfähigkeit, räumliches Vorstellungsvermögen, logisches Denken, Informationsverarbeitung, Problemerkennung, Kreativität und die Fähigkeit, Probleme effektiv zu lösen.
Aber auch in der Grundschule und in den weiterführenden Schulen wäre ein Einstieg in die Thematik durchaus möglich. Allerdings sollte dann mit Materialien, Aufgabenstellungen und Programmiertools gearbeitet werden, die dem Alter und dem Wissensstand der Jugendlichen angepasst sind.
Die Art und Weise, wie junge Menschen lernen, hat sich grundlegend gewandelt. Bereits die Generation Z (Geburtsjahrgang 1995 bis 2009) lernt heute individueller und multimedialer. Wobei das passive Lernen, also die reine Aneignung von Wissen im Frontalunterricht, immer mehr an Bedeutung verliert. Vielmehr sind aktives Lernen und handlungsorientierter Unterricht gefordert.
Dabei entwickeln die Lernenden eigene Ideen und Lösungsansätze oder führen manuelle Tätigkeiten durch, um die gestellte Aufgabe erfolgreich zu meistern. Wichtig dabei ist, dass die Schülerinnen und Schüler die von ihnen entwickelten Problemlösungen zeitnah in der Praxis überprüfen können. Dadurch erhalten die Lernenden ein sofortiges Feedback, ob der gewählte Lösungsansatz funktioniert oder ob ein Umdenken erforderlich ist. Die Interaktionen zwischen Lehrkraft und Klasse bzw. innerhalb der Lerngruppen binden alle Beteiligten aktiv in den Lernprozess ein und fördern zudem den Aufbau sozialer Fähigkeiten und Kompetenzen.
Mögliches Praxisbeispiel
In der Praxis kann das im einfachsten Fall so aussehen, dass ein Lernroboter eine bestimmte Bewegung durchführen soll. Dazu muss dem Roboter bei der Programmierung ein bestimmter Wert vorgegeben werden. Um den Lerneffekt und auch den Spaß nicht zu trüben, darf die Lehrkraft den Kindern keinen exakten Wert zur Eingabe vorgeben. Die Kinder sollen durch Probieren (trial and error) den optimalen Wert selbst ermitteln. Die ersten Eingabewerte und die erforderlichen Korrekturen werden dann im Idealfall unter den Mitgliedern der Lerngruppe besprochen und gemeinsam bestimmt. Je älter die Kinder sind, desto komplexer können Roboter und Aufgabenstellungen ausfallen. Da bei der Programmierung immer mehrere Möglichkeiten zum Ziel führen, müssen innerhalb der Lerngruppe die unterschiedlichen Lösungsansätze geprüft und bewertet werden, was die Zusammenarbeit und Interaktion innerhalb der Gruppe fördert.
Um Robotik zu unterrichten, ist es nicht zwangsläufig erforderlich, einen komplexen Roboter aufzubauen oder zu verwenden. Je nach Alter der Lernenden können es durchaus einfach aufgebaute Systeme sein, die eine ebenso simple Aufgabenstellung erfüllen.
Um den Kindern die Programmierung oder das Coding so leicht wie möglich zu machen, werden beispielsweise SCRATCH oder First Coding genutzt. Bei diesen Programmiertools werden die einzelnen Programmierschritte als Kacheln per Drag `n` Drop zum gewünschten Bewegungsablauf bzw. zu Algorithmen zusammengefügt. So können selbst umfangreiche Bewegungen recht einfach programmiert werden.
Mit zunehmendem Alter können die Lernenden auch immer komplexere Aufgaben bewältigen. In diesem Fall muss dann auch die Hardware der Robotik an die Aufgabenstellung angepasst werden.
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Bewährte Konstruktions-Technik nutzen
Aus Motoren, Wellen, Getriebezahnrädern und Gehäuseteilen eine roboterähnliche Mechanik aufzubauen, ist zweifellos eine erhebliche Herausforderung. Selbst für Studierende aus dem Bereich Informatik und Maschinenbau. Doch warum das Rad neu erfinden? Es gibt ja bereits geeignete Systeme, die in Form von cleveren Konstruktions-Baukästen erhältlich sind. Bekannte Hersteller, wie beispielsweise fischertechnik oder LEGO®, haben schon vor einiger Zeit perfekt geeignete Education-Produktserien entwickelt. Mit diesen Systemen ist es problemlos möglich, unterschiedliche Roboter mechanisch aufzubauen, die selbst komplexe Bewegungsabläufe präzise ausführen können. Zudem bieten die Hersteller neben der Antriebstechnik auch noch eine umfangreiche Sensorik an, damit das Robotersystem äußere Einflüsse erfassen und entsprechend der Programmierung darauf reagieren kann.
Geeignete Programmiersprachen verwenden
Für den Einstieg in die Programmierung eines Lernroboters sind Programmiersprachen mit grafischen Oberflächen wie beispielsweise Scratch Junior, Scatch, MakeCode oder ROBO Pro Coding bestens geeignet. Weitere beliebte Programmiersprachen sind C/C++ und Python. Während C/C++ aufgrund seiner effizienten Performance häufig für größere Projekte und auf Hardware-Ebene verwendet wird, zeichnet sich Python vorrangig für kleinere Programme aus. Dank umfangreicher Bibliotheken werden mit Python meist sehr schnelle Lernerfolge erzielt. Zudem wird die Programmiersprache auch im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) und für maschinelles Lernen (ML) genutzt.
Wie bereits erwähnt, sind Robotik und Programmierung in vielen Branchen ein fester Bestandteil der modernen Arbeitswelt. Doch leider hinkt auch im Jahr 2024 die Ausbildung in den Schulen der aktuellen technischen Entwicklung deutlich hinterher. Das liegt nicht nur an einem relativ unflexiblen Lehrplan. Größtenteils verhindert der mangelnde Bezug der Lehrkräfte zu digitalen Themen eine sinnvolle Einbindung und Anwendung in den MINT-Unterricht. Schließlich können die mit der Ausbildung beauftragten Personen nur das Wissen effizient weitervermitteln, das sie selbst vollumfänglich haben.
Das ist mit ein Grund, warum LEGO® Education parallel zu den Produkten auch umfangreiche Informationen anbietet, um die verschiedenen Lerneinheiten optimal in den Unterricht mit einzubinden.
Selbst professionelle Schulungen des Lehrpersonals vor Ort sind auf Anfrage möglich.
Übrigens: In unserem Shop haben wir die von Conrad Electronic angebotenen Education-Artikel mit einem Hinweis (siehe beigefügtes Bild) auf weiterführende didaktische Unterrichtsmaterialien bzw. auf professionelle Schulungen ausgestattet.
Robotik und Programmierung sind Themen, die in der schulischen Ausbildung bereits heute eine sehr wichtige Rolle spielen. Die stetig voranschreitende Automatisierung sorgt zudem dafür, dass der Bereich Robotertechnik auch zukünftig deutlich an Bedeutung gewinnen wird. Durch diese unvermeidbare Entwicklung sind sowohl die Lernenden als auch die zuständigen Lehrkräfte im vollen Umfang betroffen.
Begriffe wie Deep Learning (DL), Machine Learning (ML) oder Künstliche Intelligenz (KI) sind immer häufiger zu hören und werden in vielen Bereichen unseres Lebens Einzug halten. Deshalb ist es die Aufgabe von schulischen Bildungseinrichtungen, junge Menschen mit geeigneten Unterrichtseinheiten gut auf diese Themen vorzubereiten. Wobei das spielerische, kreative und handlungsorientierte Lernen, das in diesen interessanten Unterrichtseinheiten problemlos möglich ist, den Kindern und Jugendlichen sehr entgegenkommt. Die Lehrkräfte müssen sich dessen bewusst sein und diese anspruchsvolle Herausforderung vorbehaltlos annehmen.