zulassungsarbeit vermittlung von informatischen grundkonzepten der realschulbildung anhand einer...
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ZulassungsarbeitZulassungsarbeit
Vermittlung von informatischen
Grundkonzepten der
Realschulbildung anhand einer
robotergesteuerten Lagerverwaltung
Markus WeberUniversität Erlangen-Nürnberg
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 22
Inhalt:Inhalt:
I. Literaturrecherche „Roboter in der I. Literaturrecherche „Roboter in der Bildung“Bildung“
- Übersicht- Übersicht
- Beispiel- Beispiel
- Erkenntnisse der Recherche- Erkenntnisse der Recherche
II. Die Roboter – LagerverwaltungII. Die Roboter – Lagerverwaltung- Einordnung in die Bildungspläne- Einordnung in die Bildungspläne
- Beschreibung der Idee- Beschreibung der Idee
- Möglichkeiten und Grenzen- Möglichkeiten und Grenzen
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 33
Inhalt:Inhalt:
II. Die Roboterlager-Verwaltung:II. Die Roboterlager-Verwaltung:- Robotereinheiten und ihre Funktion- Robotereinheiten und ihre Funktion- Programmierung- Programmierung- Projekt- Projekt- Unterrichteinheit „Bluetooth Kommunikation“- Unterrichteinheit „Bluetooth Kommunikation“- Beispiel Aufgaben- Beispiel Aufgaben
III. Probleme bei der Entwicklung III. Probleme bei der Entwicklung
IV. Offene AufgabenIV. Offene Aufgaben
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 44
I. Literaturrecherche I. Literaturrecherche „Roboter in der „Roboter in der
Bildung“Bildung“
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 55
ÜbersichtÜbersicht
=> Analyse von über 20 wissenschaftlichen Quellen=> Analyse von über 20 wissenschaftlichen Quellen
KategorienKategorien BeispielBeispiel
Visuelle ProgrammierumgebungenVisuelle Programmierumgebungen Scratch, TernScratch, Tern
Roboter in der GrundschuleRoboter in der Grundschule Aibo der RoboterhundAibo der Roboterhund
Roboter in der SekundarstufeRoboter in der Sekundarstufe Schülerarbeiten, Legostein-Schülerarbeiten, Legostein-SortiermaschineSortiermaschine
Fachübergreifende KonzepteFachübergreifende Konzepte Algorithmenmodellierung,Algorithmenmodellierung,
Einführung Einführung ObjektorientierungObjektorientierung
Roboter in außerschulischen Roboter in außerschulischen LernortenLernorten
Roberta, Paderborner Roberta, Paderborner HochregallagerHochregallager
Roboter im HochschulbereichRoboter im Hochschulbereich Webbasierte Steuerung v. Webbasierte Steuerung v. RoboternRobotern
Lernanalysen zu RoboternLernanalysen zu Robotern Lernanalyse d. US AirforceLernanalyse d. US Airforce
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 66
Beispiel:Beispiel: „Interdisziplinäre „Interdisziplinäre
Entwicklung autonomer Fahrzeuge“Entwicklung autonomer Fahrzeuge“ Hintergrund:Hintergrund:Kurs der Columbia University (30 Stud.; versch. Kurs der Columbia University (30 Stud.; versch.
Fachrichtungen Fachrichtungen
Ziele:Ziele:- Transferleistungen der Studenten verbessern- Transferleistungen der Studenten verbessern- Kontakt zu Problemen der realen Umgebung ermöglichen- Kontakt zu Problemen der realen Umgebung ermöglichen- kooperativen Teamarbeit - kooperativen Teamarbeit
Ablauf des Kurses:Ablauf des Kurses:- Entwicklung einfacher mechanischer Maschinen- Sensoriksystem entwickeln - Parallelprozessmodellierung bei Sensorenüberwachung- Kombination Fahrzeug & Sensoriksystem zu Embedded
System
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 77
Beispiele: Roboterbilder
Autonomes Fahrzeug: Autonomes Fahrzeug: Sortiermaschine:Sortiermaschine:
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 88
Beispiele: Roboterbilder
Labyrithlösen (Algorithmik): Labyrithlösen (Algorithmik): Hochregalllager: Hochregalllager:
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 99
Erkenntnisse
Roboter sind stark und andauernd motivierendRoboter sind stark und andauernd motivierend Teilnehmer zeigen hohe Leistungsbereitschaft Teilnehmer zeigen hohe Leistungsbereitschaft Roboter fördern Kreativität, Metakompetenzen Roboter fördern Kreativität, Metakompetenzen
und bauen Hemmungen abund bauen Hemmungen ab Einsatz von Robotern ist zeitaufwendig und stellt Einsatz von Robotern ist zeitaufwendig und stellt
hohe Kompetenzansprüche an die Lehrpersonhohe Kompetenzansprüche an die Lehrperson Variable Programmierung => breite Variable Programmierung => breite
EinsetzbarkeitEinsetzbarkeit Lerninhalte müssen gezielt und klar festgelegt Lerninhalte müssen gezielt und klar festgelegt
sein (leichtes „abdriften“ möglich) sein (leichtes „abdriften“ möglich) Möglichkeit einer Simulationssoftware erleichtert Möglichkeit einer Simulationssoftware erleichtert
praktische Realisierbarkeit (s. Schulausstattung)praktische Realisierbarkeit (s. Schulausstattung)
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1010
II. Die Roboter II. Die Roboter LagerverwaltungLagerverwaltung
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1111
Einordnung in die Bildungspläne
LehrplanLehrplan ThemenThemen
Rahmenplan InformatikRahmenplan Informatik
Wahlpflichtfach Wahlpflichtfach HamburgHamburg
„„Informatische Informatische Leitlinien“Leitlinien“
Schwerpunkt „Roboter“ Schwerpunkt „Roboter“
Schwerpunkt „Kommunikation“Schwerpunkt „Kommunikation“
Schwerpunkt Schwerpunkt „Prozessdatenverarb.“„Prozessdatenverarb.“
Lehrplan der Lehrplan der Realschule BayernRealschule Bayern
AlgorithmenmodellierungAlgorithmenmodellierung
ZustandsmodellierungZustandsmodellierung
Einführung ObjektorientierungEinführung Objektorientierung
Prozeduren und Funktionen in Prozeduren und Funktionen in einer Programmierspracheeiner Programmiersprache
Lehrplan GYM mehrereLehrplan GYM mehrereBundesländerBundesländer
Messen, Steuern und Regeln Messen, Steuern und Regeln (MSR)(MSR)
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1212
Beschreibung der IdeeBeschreibung der Idee
Lagerverwaltung mit Lagerverwaltung mit mehreren mehreren
Grundkonzepten der BildungGrundkonzepten der Bildung
Streng Streng modular modular
aufgebautaufgebaut
L zeigt L zeigt Video Video
(Motivation)(Motivation)
Gemeinsame Gemeinsame Besprechung Besprechung
möglicher U Themenmöglicher U Themen
S&L führen S&L führen
Projekt durchProjekt durchVerwenden Teilmodule, Verwenden Teilmodule,
entwickeln eigene entwickeln eigene LösungenLösungen
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1313
Möglichkeiten und Grenzen
Informatische Grundkonzepte:Informatische Grundkonzepte: Algorithmisierung (s. Gesamt- und Teilabläufe)Algorithmisierung (s. Gesamt- und Teilabläufe) Prozess-/AblaufmodellierungProzess-/Ablaufmodellierung Kommunikation und Kommunikation und
Informationsaustausch/CodierungInformationsaustausch/Codierung Zentralisierte vs. dezentralisierte SteuerungZentralisierte vs. dezentralisierte Steuerung Zustandsmodellierung (s. Roboterzustände) Zustandsmodellierung (s. Roboterzustände)
usw.usw.
Grenzen:Grenzen: Kein perfektes SystemKein perfektes System L. muss sich gründlich einarbeiten um es zu L. muss sich gründlich einarbeiten um es zu
verstehenverstehen Anpassung an ProjektthemaAnpassung an Projektthema
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1414
Beschreibung der Robotereinheiten
Roboter Annahme:Roboter Annahme: (Postschalter)(Postschalter)
Nimmt gewünschte Regalposition entgegen und Nimmt gewünschte Regalposition entgegen und sendet sie per Bluetooth Nachricht weitersendet sie per Bluetooth Nachricht weiter
verweigert Doppelbelegungen, erkennt volles verweigert Doppelbelegungen, erkennt volles RegalRegal
Fördert Paket zu LageristFördert Paket zu Lagerist
Roboter Lagerist:Roboter Lagerist: (Postfiliale) (Postfiliale) Nimmt Paket entgegenNimmt Paket entgegen Benachrichtigt FahrerBenachrichtigt Fahrer Bringt Paket zur Laderampe, weisst Fahrer einBringt Paket zur Laderampe, weisst Fahrer ein übergibt Paket an Fahrerübergibt Paket an Fahrer
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1515
Beschreibung der Robotereinheiten
Roboter Fahrer: (DHL Roboter Fahrer: (DHL Fahrzeug)Fahrzeug)
Nimmt von Lagerist Paket und Regalposition Nimmt von Lagerist Paket und Regalposition entgegenentgegen
Fährt Paket zu StaplerFährt Paket zu Stapler sendet Regalposition per Bluetooth Nachricht an sendet Regalposition per Bluetooth Nachricht an
StaplerStapler
Roboter Stapler:Roboter Stapler: (Paketbote)(Paketbote)
Nimmt von Fahrer Paket entgegenNimmt von Fahrer Paket entgegen Bringt Paket zum Regal an die richtige PositionBringt Paket zum Regal an die richtige Position Lädt es im Regal abLädt es im Regal ab
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1616
Programmierung:Programmierung:
4 4 RoboterhauptprogramRoboterhauptprogrammeme
insg. 85 insg. 85 Programmmodule Programmmodule (größtenteils (größtenteils unabhängig)unabhängig)
Kurz kommentiertKurz kommentiert BildschirminformationeBildschirminformatione
n n leiten den Benutzerleiten den Benutzer
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1717
Programmierung: Programmierung: HauptprogrammHauptprogramm
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1818
ProjektProjektPhasePhase BspBsp
InitiativeInitiative L. und S. wollen die BT Kommunikation L. und S. wollen die BT Kommunikation des Videos auf ein eigenes Szenario des Videos auf ein eigenes Szenario übertragenübertragen
Entw. d. Entw. d. ProjektskizzeProjektskizze
3 Roboter sollen Informationen austau-3 Roboter sollen Informationen austau-schen; Nachrichten lösen Aktionen ausschen; Nachrichten lösen Aktionen aus
Arbeit am Arbeit am ProjektthemaProjektthema
Mechanik entwickeln & Roboter bauen, Mechanik entwickeln & Roboter bauen,
Grundlagen des BT Netzwerks Grundlagen des BT Netzwerks erarbeiten,erarbeiten,
BT Signale Zeichen, Zahlen & Text BT Signale Zeichen, Zahlen & Text festlegenfestlegen
Signalauswertung mit Aktionen Signalauswertung mit Aktionen verknüpfenverknüpfen
Teile zu funktionsfähigen Teile zu funktionsfähigen Robotersystem Robotersystem zusammenfügen/optimieren etc.zusammenfügen/optimieren etc.
ProjektabschlussProjektabschluss Präsentation Präsentation
Vergleich mit Quellcode der Vergleich mit Quellcode der LagerverwaltungLagerverwaltung
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 1919
Unterrichtseinheit Bluetooth Unterrichtseinheit Bluetooth KommunikationKommunikation
Ablauf (insgesamt 3 DS à 90 Min):Ablauf (insgesamt 3 DS à 90 Min):(1)Hinführung mit Video und Handy als weiteres (1)Hinführung mit Video und Handy als weiteres
Beispiel für BT KommunikationBeispiel für BT KommunikationSenden einfacher Nachrichten zwischen NXT Senden einfacher Nachrichten zwischen NXT Einheiten (Programmeinführung) und Ausgabe Einheiten (Programmeinführung) und Ausgabe am LCDam LCD
(2)Erarbeiten der Grundlagen eines NXT Netzwerks(2)Erarbeiten der Grundlagen eines NXT NetzwerksAufgabe Flüsterpost in Gruppenarbeit o.ä.Aufgabe Flüsterpost in Gruppenarbeit o.ä.
(3)Bau eines einfachen Roboters der Winken kann(3)Bau eines einfachen Roboters der Winken kannVerknüpfung von Wink-Aktionen und BT Verknüpfung von Wink-Aktionen und BT Nachrichten (evtl. unterschiedlichen Datentyps) Nachrichten (evtl. unterschiedlichen Datentyps) mit LCD Benutzerführungmit LCD Benutzerführung
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 2020
BeispielaufgabenBeispielaufgaben
Flüsterpost:Flüsterpost: Schüler bekommen als Materialien 4 NXT Schüler bekommen als Materialien 4 NXT
BausteineBausteine Müssen die Bausteine dazu bringen sich Müssen die Bausteine dazu bringen sich
nacheinander eine Nachricht zuzusendennacheinander eine Nachricht zuzusenden Schwierigkeit: Schwierigkeit:
mittel bis hochmittel bis hoch Varianten: Varianten:
Textnachricht Textnachricht abändernabändern
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 2121
BeispielaufgabenBeispielaufgaben
Geschichte:Geschichte: Beschreibt den Weg des Pakets und die Beschreibt den Weg des Pakets und die
zugehörige Kommunikation in einer zugehörige Kommunikation in einer Schülergerechten Sprache Schülergerechten Sprache
Mögliche FragestellungenMögliche Fragestellungen
1. Textverständnis1. Textverständnis
2. Transfer eines gegebenen Sequenzdiagramms2. Transfer eines gegebenen Sequenzdiagramms auf die Geschichte auf die Geschichte
3. Entwicklung eines Sequenzdiagramms 3. Entwicklung eines Sequenzdiagramms aus der Geschichteaus der Geschichte
4. Identifikation der beteiligten Objekte4. Identifikation der beteiligten Objekte
5. Zuordnung der Aktionen und Nachrichten5. Zuordnung der Aktionen und Nachrichten
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 2222
III. Eigene III. Eigene Erfahrungen Erfahrungen
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 2323
Konstruktion der RoboterKonstruktion der Roboter
Hauptprobleme:Hauptprobleme: Übertragung von Realmodellen auf Roboter Übertragung von Realmodellen auf Roboter
scheitert an der Form der Steine (Legotechnik)scheitert an der Form der Steine (Legotechnik)
Eigenentwicklungen sind zeitintensiv (Bsp. Eigenentwicklungen sind zeitintensiv (Bsp. Stapler: insg. 8 Varianten gebaut, erst beim Stapler: insg. 8 Varianten gebaut, erst beim letzten Mängel minimiert) letzten Mängel minimiert)
Kleine Änderungen ziehen oft Kaskaden von Kleine Änderungen ziehen oft Kaskaden von Anpassungen nach sich! Anpassungen nach sich!
Optimierungen meist mit Zerlegen des gesamten Optimierungen meist mit Zerlegen des gesamten Modells verbundenModells verbunden
Schwierigkeit liegt fast ausschließlich im DetailSchwierigkeit liegt fast ausschließlich im Detail
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 2424
Programmierung mit der Programmierung mit der StandardsoftwareStandardsoftware
Mängel:Mängel: Ressourcenfresser Ressourcenfresser Umständliche Programmstruktur (spez. wenn Umständliche Programmstruktur (spez. wenn
unterschiedliche Funktionen gebraucht werden) unterschiedliche Funktionen gebraucht werden) umständlich bei mathemat. umständlich bei mathemat.
VariablenberechnungenVariablenberechnungen teilweise schlechte Fehlermeldungen teilweise schlechte Fehlermeldungen
Vorteile:Vorteile: Gutes HilfesystemGutes Hilfesystem Beinhaltet auch Anleitungen und Beinhaltet auch Anleitungen und
GrundlagenprogrammeGrundlagenprogramme Sehr LeistungsstarkSehr Leistungsstark
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 2525
IV. Offene AufgabenIV. Offene Aufgaben
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 2626
Offene AufgabenOffene Aufgaben
Optimierung des Roboteraufbaus (Stablilität für Optimierung des Roboteraufbaus (Stablilität für den Schulalltag)den Schulalltag)
schülergerechte, ausführlichere schülergerechte, ausführlichere AufbauanleitungenAufbauanleitungen
Ausarbeitung der restlichen Konzepte, die mit der Ausarbeitung der restlichen Konzepte, die mit der Lagerverwaltung vermittelbar sindLagerverwaltung vermittelbar sind
Ausführlichere Programmbeschreibung, ggf. Ausführlichere Programmbeschreibung, ggf. Programmoptimierung , Übertrag auf JavaProgrammoptimierung , Übertrag auf Java
Internetpräsenz und Videodreh (in Arbeit)Internetpräsenz und Videodreh (in Arbeit)
Vortrag ZulassungsarbeitVortrag Zulassungsarbeit 2727
Vielen Dank für Vielen Dank für die die
Aufmerksamkeit!!Aufmerksamkeit!!
EndeEnde
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