zulassungsarbeit vermittlung von informatischen grundkonzepten der realschulbildung anhand einer...

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


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


I. Literaturrecherche I. Literaturrecherche „Roboter in der „Roboter in der

Bildung“Bildung“


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


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


Beispiele: Roboterbilder

Autonomes Fahrzeug: Autonomes Fahrzeug: Sortiermaschine:Sortiermaschine:


Beispiele: Roboterbilder

Labyrithlösen (Algorithmik): Labyrithlösen (Algorithmik): Hochregalllager: Hochregalllager:


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)


II. Die Roboter II. Die Roboter LagerverwaltungLagerverwaltung


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)


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


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


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


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


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


Programmierung: Programmierung: HauptprogrammHauptprogramm


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


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


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


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


III. Eigene III. Eigene Erfahrungen Erfahrungen


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


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


IV. Offene AufgabenIV. Offene Aufgaben


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)


Vielen Dank für Vielen Dank für die die

Aufmerksamkeit!!Aufmerksamkeit!!

EndeEnde

zulassungsarbeit vermittlung von informatischen grundkonzepten der realschulbildung anhand einer...

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