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Zulassungsarbeit Vermittlung von informatischen Grundkonzepten der Realschulbildung anhand einer robotergesteuerten Lagerverwaltung Markus Weber Universität.

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Präsentation zum Thema: "Zulassungsarbeit Vermittlung von informatischen Grundkonzepten der Realschulbildung anhand einer robotergesteuerten Lagerverwaltung Markus Weber Universität."—  Präsentation transkript:

1 Zulassungsarbeit Vermittlung von informatischen Grundkonzepten der Realschulbildung anhand einer robotergesteuerten Lagerverwaltung Markus Weber Universität Erlangen-Nürnberg

2 Vortrag Zulassungsarbeit2 Inhalt: I. Literaturrecherche Roboter in der Bildung - Übersicht - Beispiel - Erkenntnisse der Recherche II. Die Roboter – Lagerverwaltung - Einordnung in die Bildungspläne - Beschreibung der Idee - Möglichkeiten und Grenzen

3 Vortrag Zulassungsarbeit3 Inhalt: II. Die Roboterlager-Verwaltung: - Robotereinheiten und ihre Funktion - Programmierung - Projekt - Unterrichteinheit Bluetooth Kommunikation - Beispiel Aufgaben III. Probleme bei der Entwicklung IV. Offene Aufgaben

4 Vortrag Zulassungsarbeit4 I. Literaturrecherche Roboter in der Bildung

5 Vortrag Zulassungsarbeit5 Übersicht => Analyse von über 20 wissenschaftlichen Quellen KategorienBeispiel Visuelle Programmierumgebungen Scratch, Tern Roboter in der Grundschule Aibo der Roboterhund Roboter in der Sekundarstufe Schülerarbeiten, Legostein- Sortiermaschine Fachübergreifende Konzepte Algorithmenmodellierung, Einführung Objektorientierung Roboter in außerschulischen Lernorten Roberta, Paderborner Hochregallager Roboter im Hochschulbereich Webbasierte Steuerung v. Robotern Lernanalysen zu Robotern Lernanalyse d. US Airforce

6 Vortrag Zulassungsarbeit6 Beispiel: Interdisziplinäre Entwicklung autonomer Fahrzeuge Hintergrund: Kurs der Columbia University (30 Stud.; versch. Fachrichtungen Ziele: - Transferleistungen der Studenten verbessern - Kontakt zu Problemen der realen Umgebung ermöglichen - kooperativen Teamarbeit Ablauf des Kurses: - Entwicklung einfacher mechanischer Maschinen - Sensoriksystem entwickeln - Parallelprozessmodellierung bei Sensorenüberwachung - Kombination Fahrzeug & Sensoriksystem zu Embedded System

7 Vortrag Zulassungsarbeit7 Beispiele: Roboterbilder Autonomes Fahrzeug: Sortiermaschine:

8 Vortrag Zulassungsarbeit8 Beispiele: Roboterbilder Labyrithlösen (Algorithmik): Hochregalllager:

9 Vortrag Zulassungsarbeit9 Erkenntnisse Roboter sind stark und andauernd motivierend Roboter sind stark und andauernd motivierend Teilnehmer zeigen hohe Leistungsbereitschaft Teilnehmer zeigen hohe Leistungsbereitschaft Roboter fördern Kreativität, Metakompetenzen und bauen Hemmungen ab Roboter fördern Kreativität, Metakompetenzen und bauen Hemmungen ab Einsatz von Robotern ist zeitaufwendig und stellt hohe Kompetenzansprüche an die Lehrperson Einsatz von Robotern ist zeitaufwendig und stellt hohe Kompetenzansprüche an die Lehrperson Variable Programmierung => breite Einsetzbarkeit Variable Programmierung => breite Einsetzbarkeit Lerninhalte müssen gezielt und klar festgelegt sein (leichtes abdriften möglich) Lerninhalte müssen gezielt und klar festgelegt sein (leichtes abdriften möglich) Möglichkeit einer Simulationssoftware erleichtert praktische Realisierbarkeit (s. Schulausstattung) Möglichkeit einer Simulationssoftware erleichtert praktische Realisierbarkeit (s. Schulausstattung)

10 Vortrag Zulassungsarbeit10 II. Die Roboter Lagerverwaltung

11 Vortrag Zulassungsarbeit11 Einordnung in die Bildungspläne LehrplanThemen Rahmenplan Informatik Wahlpflichtfach Hamburg Informatische Leitlinien Schwerpunkt Roboter Schwerpunkt Kommunikation Schwerpunkt Prozessdatenverarb. Lehrplan der Realschule Bayern Algorithmenmodellierung Zustandsmodellierung Einführung Objektorientierung Prozeduren und Funktionen in einer Programmiersprache Lehrplan GYM mehrere Bundesländer Messen, Steuern und Regeln (MSR)

12 Vortrag Zulassungsarbeit12 Beschreibung der Idee Lagerverwaltung mit mehreren Grundkonzepten der Bildung Streng modular aufgebaut L zeigt Video (Motivation) Gemeinsame Besprechung möglicher U Themen S&L führen Projekt durch Verwenden Teilmodule, entwickeln eigene Lösungen

13 Vortrag Zulassungsarbeit13 Möglichkeiten und Grenzen Informatische Grundkonzepte: Algorithmisierung (s. Gesamt- und Teilabläufe) Algorithmisierung (s. Gesamt- und Teilabläufe) Prozess-/Ablaufmodellierung Prozess-/Ablaufmodellierung Kommunikation und Informationsaustausch/Codierung Kommunikation und Informationsaustausch/Codierung Zentralisierte vs. dezentralisierte Steuerung Zentralisierte vs. dezentralisierte Steuerung Zustandsmodellierung (s. Roboterzustände) usw. Zustandsmodellierung (s. Roboterzustände) usw.Grenzen: Kein perfektes System Kein perfektes System L. muss sich gründlich einarbeiten um es zu verstehen L. muss sich gründlich einarbeiten um es zu verstehen Anpassung an Projektthema Anpassung an Projektthema

14 Vortrag Zulassungsarbeit14 Beschreibung der Robotereinheiten Roboter Annahme: (Postschalter) Nimmt gewünschte Regalposition entgegen und sendet sie per Bluetooth Nachricht weiter Nimmt gewünschte Regalposition entgegen und sendet sie per Bluetooth Nachricht weiter verweigert Doppelbelegungen, erkennt volles Regal verweigert Doppelbelegungen, erkennt volles Regal Fördert Paket zu Lagerist Fördert Paket zu Lagerist Roboter Lagerist: (Postfiliale) Nimmt Paket entgegen Nimmt Paket entgegen Benachrichtigt Fahrer Benachrichtigt Fahrer Bringt Paket zur Laderampe, weisst Fahrer ein Bringt Paket zur Laderampe, weisst Fahrer ein übergibt Paket an Fahrer übergibt Paket an Fahrer

15 Vortrag Zulassungsarbeit15 Beschreibung der Robotereinheiten Roboter Fahrer: (DHL Fahrzeug) Nimmt von Lagerist Paket und Regalposition entgegen Nimmt von Lagerist Paket und Regalposition entgegen Fährt Paket zu Stapler Fährt Paket zu Stapler sendet Regalposition per Bluetooth Nachricht an Stapler sendet Regalposition per Bluetooth Nachricht an Stapler Roboter Stapler: (Paketbote) Nimmt von Fahrer Paket entgegen Nimmt von Fahrer Paket entgegen Bringt Paket zum Regal an die richtige Position Bringt Paket zum Regal an die richtige Position Lädt es im Regal ab Lädt es im Regal ab

16 Vortrag Zulassungsarbeit16 Programmierung: 4 Roboterhauptprogramme 4 Roboterhauptprogramme insg. 85 Programmmodule (größtenteils unabhängig) insg. 85 Programmmodule (größtenteils unabhängig) Kurz kommentiert Kurz kommentiert Bildschirminformationen leiten den Benutzer Bildschirminformationen leiten den Benutzer

17 Vortrag Zulassungsarbeit17 Programmierung: Hauptprogramm

18 Vortrag Zulassungsarbeit18 Projekt PhaseBsp Initiative L. und S. wollen die BT Kommunikation des Videos auf ein eigenes Szenario übertragen Entw. d. Projektskizze 3 Roboter sollen Informationen austau- schen; Nachrichten lösen Aktionen aus Arbeit am Projektthema Mechanik entwickeln & Roboter bauen, Grundlagen des BT Netzwerks erarbeiten, BT Signale Zeichen, Zahlen & Text festlegen Signalauswertung mit Aktionen verknüpfen Teile zu funktionsfähigen Robotersystem zusammenfügen/optimieren etc. ProjektabschlussPräsentation Vergleich mit Quellcode der Lagerverwaltung

19 Vortrag Zulassungsarbeit19 Unterrichtseinheit Bluetooth Kommunikation Ablauf (insgesamt 3 DS à 90 Min): (1)Hinführung mit Video und Handy als weiteres Beispiel für BT Kommunikation Senden einfacher Nachrichten zwischen NXT Einheiten (Programmeinführung) und Ausgabe am LCD (2)Erarbeiten der Grundlagen eines NXT Netzwerks Aufgabe Flüsterpost in Gruppenarbeit o.ä. (3)Bau eines einfachen Roboters der Winken kann Verknüpfung von Wink-Aktionen und BT Nachrichten (evtl. unterschiedlichen Datentyps) mit LCD Benutzerführung

20 Vortrag Zulassungsarbeit20 Beispielaufgaben Flüsterpost: Schüler bekommen als Materialien 4 NXT Bausteine Schüler bekommen als Materialien 4 NXT Bausteine Müssen die Bausteine dazu bringen sich nacheinander eine Nachricht zuzusenden Müssen die Bausteine dazu bringen sich nacheinander eine Nachricht zuzusenden Schwierigkeit: mittel bis hoch Schwierigkeit: mittel bis hoch Varianten: Textnachricht abändern Varianten: Textnachricht abändern

21 Vortrag Zulassungsarbeit21 Beispielaufgaben Geschichte: Beschreibt den Weg des Pakets und die zugehörige Kommunikation in einer Schülergerechten Sprache Beschreibt den Weg des Pakets und die zugehörige Kommunikation in einer Schülergerechten Sprache Mögliche Fragestellungen Mögliche Fragestellungen 1. Textverständnis 2. Transfer eines gegebenen Sequenzdiagramms auf die Geschichte 3. Entwicklung eines Sequenzdiagramms aus der Geschichte 2. Transfer eines gegebenen Sequenzdiagramms auf die Geschichte 3. Entwicklung eines Sequenzdiagramms aus der Geschichte 4. Identifikation der beteiligten Objekte 5. Zuordnung der Aktionen und Nachrichten

22 Vortrag Zulassungsarbeit22 III. Eigene Erfahrungen

23 Vortrag Zulassungsarbeit23 Konstruktion der Roboter Hauptprobleme: Übertragung von Realmodellen auf Roboter scheitert an der Form der Steine (Legotechnik) Übertragung von Realmodellen auf Roboter scheitert an der Form der Steine (Legotechnik) Eigenentwicklungen sind zeitintensiv (Bsp. Stapler: insg. 8 Varianten gebaut, erst beim letzten Mängel minimiert) Eigenentwicklungen sind zeitintensiv (Bsp. Stapler: insg. 8 Varianten gebaut, erst beim letzten Mängel minimiert) Kleine Änderungen ziehen oft Kaskaden von Anpassungen nach sich! Kleine Änderungen ziehen oft Kaskaden von Anpassungen nach sich! Optimierungen meist mit Zerlegen des gesamten Modells verbunden Optimierungen meist mit Zerlegen des gesamten Modells verbunden Schwierigkeit liegt fast ausschließlich im Detail Schwierigkeit liegt fast ausschließlich im Detail

24 Vortrag Zulassungsarbeit24 Programmierung mit der Standardsoftware Mängel: Ressourcenfresser Ressourcenfresser Umständliche Programmstruktur (spez. wenn unterschiedliche Funktionen gebraucht werden) Umständliche Programmstruktur (spez. wenn unterschiedliche Funktionen gebraucht werden) umständlich bei mathemat. Variablenberechnungen umständlich bei mathemat. Variablenberechnungen teilweise schlechte Fehlermeldungen teilweise schlechte FehlermeldungenVorteile: Gutes Hilfesystem Gutes Hilfesystem Beinhaltet auch Anleitungen und Grundlagenprogramme Beinhaltet auch Anleitungen und Grundlagenprogramme Sehr Leistungsstark Sehr Leistungsstark

25 Vortrag Zulassungsarbeit25 IV. Offene Aufgaben

26 Vortrag Zulassungsarbeit26 Offene Aufgaben Optimierung des Roboteraufbaus (Stablilität für den Schulalltag) Optimierung des Roboteraufbaus (Stablilität für den Schulalltag) schülergerechte, ausführlichere Aufbauanleitungen schülergerechte, ausführlichere Aufbauanleitungen Ausarbeitung der restlichen Konzepte, die mit der Lagerverwaltung vermittelbar sind Ausarbeitung der restlichen Konzepte, die mit der Lagerverwaltung vermittelbar sind Ausführlichere Programmbeschreibung, ggf. Programmoptimierung, Übertrag auf Java Ausführlichere Programmbeschreibung, ggf. Programmoptimierung, Übertrag auf Java Internetpräsenz und Videodreh (in Arbeit) Internetpräsenz und Videodreh (in Arbeit)

27 Vortrag Zulassungsarbeit27 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!! Ende


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