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

Vortrag Zulassungsarbeit 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 Vortrag Zulassungsarbeit

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

I. Literaturrecherche „Roboter in der Bildung“ Vortrag Zulassungsarbeit

Übersicht => Analyse von über 20 wissenschaftlichen Quellen Kategorien Beispiel 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 => Analyse von über 20 wissenschaftlichen Quellen Vortrag Zulassungsarbeit

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 Vortrag Zulassungsarbeit

Beispiele: Roboterbilder Autonomes Fahrzeug: Sortiermaschine: Vortrag Zulassungsarbeit

Beispiele: Roboterbilder Labyrithlösen (Algorithmik): Hochregalllager: Vortrag Zulassungsarbeit

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

II. Die Roboter Lagerverwaltung Vortrag Zulassungsarbeit

Einordnung in die Bildungspläne Lehrplan Themen 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) Vortrag Zulassungsarbeit

Vortrag Zulassungsarbeit 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 Vortrag Zulassungsarbeit

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

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

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

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

Programmierung: Hauptprogramm Vortrag Zulassungsarbeit

Projekt Phase Bsp Initiative Entw. d. Projektskizze 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. Projektabschluss Präsentation Vergleich mit Quellcode der Lagerverwaltung Vortrag Zulassungsarbeit

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 Vortrag Zulassungsarbeit

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

Vortrag Zulassungsarbeit Beispielaufgaben Geschichte: Beschreibt den Weg des Pakets und die zugehörige Kommunikation in einer Schülergerechten Sprache Mögliche Fragestellungen 1. Textverständnis 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 Vortrag Zulassungsarbeit

III. Eigene Erfahrungen Vortrag Zulassungsarbeit

Konstruktion der Roboter Hauptprobleme: 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) Kleine Änderungen ziehen oft Kaskaden von Anpassungen nach sich! Optimierungen meist mit Zerlegen des gesamten Modells verbunden Schwierigkeit liegt fast ausschließlich im Detail Vortrag Zulassungsarbeit

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

Vortrag Zulassungsarbeit IV. Offene Aufgaben Vortrag Zulassungsarbeit

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

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!! Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!! Vortrag Zulassungsarbeit