1. Bauen, Aufbewahrung und Instandhaltung

Beim Zusammenbau von Robotermodellen lernen Schülerinnen und Schüler grundlegende mechanische und konstruktive Prinzipien kennen, bevor sie mit der Programmierung beginnen. Sie setzen sich mit den Bauteilen auseinander, verstehen deren Funktionen und lernen, wie diese zusammenwirken, um ein funktionsfähiges System zu bilden. Dieser Prozess fördert das räumliche Vorstellungsvermögen und das analytische Denken, da die Schülerinnen und Schüler die zweidimensionalen Anweisungen der Bauanleitung verstehen und in die Realität umsetzen müssen. Besonders Kinder aus bildungsfernen Familien haben teilweise wenig bis keine Vorerfahrungen aus ihrer Kindheit in Bezug auf solche Bauvorgänge. Im Unterricht ist bei einigen dieser Kinder zu beobachten, dass sie gerade diese Phase genießen, dabei sehr motiviert sind und sich Erfolgserlebnisse einstellen. Manche dieser Lernenden bleiben in den Projektgruppen auch relativ lange auf dieser Ebene und widmen sich erst später dem eigentlichen Programmieren.

Die kognitiven Vorteile des Bauvorgangs sind vielfältig:

• Problemlösungsfähigkeiten: Beim Zusammenbau können unerwartete Schwierigkeiten auftreten, die die Schülerinnen und Schüler dazu zwingen, Lösungsstrategien zu entwickeln. Sie lernen, Schritte zu planen, Fehler zu erkennen und Korrekturen vorzunehmen. Z. B. muss der Abstand von Sensoren zur Fahrbahn geändert werden, um Werte besser erfassen zu können, da unerwünschte Reflexionen vermieden werden.

• Verständnis für Technik: Durch den Zusammenbau wird ein tieferes Verständnis für technische Zusammenhänge und die Funktionsweise von Robotern entwickelt. Die Schülerinnen und Schüler begreifen, wie Kabelverbindungen, Sensoren, Aktoren und Steuerungseinheiten zusammenarbeiten, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen.

• Feinmotorik: Der Umgang mit den kleinen Bauteilen fördert die Feinmotorik und die Hand-Augen-Koordination.

• Geduld und Ausdauer: Der Zusammenbau erfordert Geduld und Ausdauer, da die Schülerinnen und Schüler sorgfältig arbeiten und gegebenenfalls auch mehrfach Anläufe benötigen, um ein funktionierendes Modell zu bauen.

• Strukturiertes Denken: Der Aufbau nach Anleitung erfordert ein strukturiertes Vorgehen und fördert das systematische Denken.

Den Schülerinnen und Schülern gefällt der Bauprozess, weil er oft als spielerisch und kreativ wahrgenommen wird. Das haptische Erlebnis des Zusammenbaus und das Erfolgserlebnis, wenn das Modell fertiggestellt ist, tragen zur Motivation bei. Die Möglichkeit, etwas Eigenes zu erschaffen und ein funktionierendes System in den Händen zu halten, stärken das Gefühl der Selbstwirksamkeit. Im Unterricht fällt auch immer wieder auf, dass es Kinder gibt, die solche „Bauerfahrungen” nicht von zu Hause aus der Kindheit mitbringen. Für sie bietet der Aufbau der Modelle und Roboter eine Chance, solche Erfahrungen nachzuholen.

Der Bauprozess ist also nicht nur eine Vorbereitung auf die Programmierung, sondern ein eigenständiger Lernprozess mit eigenem Wert. Auf dem folgenden Foto sehen Sie ein Fahrgestell, dessen Aufbau durchaus komplex ist und damit ein gutes Beispiel für diesen Arbeitsschritt ist.

Einige organisatorische Aufgaben beim Umgang mit Robotern sind ebenfalls wichtig und leisten dadurch ihren eigenen Beitrag:

Instandhaltung

Viele Bauteile zeigen nach einer gewissen Zeit gewisse Verschleißerscheinungen und Verschmutzungen, die sich negativ auf die Funktion auswirken können. Dies fällt dann bei den Praxistests auf, wenn die Programmierung nicht so funktioniert wie geplant. So verschmutzen z. B. die Lager der Laufräder oder auch der Rahmen und die Kugel der Kugelpfanne, die als Bewegungsachse fungiert. Die regelmäßige Reinigung und Prüfung der Bauteile schafft Abhilfe. Das ist eine wichtige Erkenntnis nicht nur für den Betrieb der Roboter. Hier kann man immer wieder den Brückenschlag zur Realität machen, also z. B. zu Kraftfahrzeugen und Maschinen. Das gleiche gilt auch für die regelmäßige Einstellung der Bauteile und der Abstände der Sensoren, oder auch deren Reinigung.

Aufladen

Wie kann der Akku des Controllers wieder aufgeladen werden? Hier benötigen die Lernenden Wissen über Anschlüsse, Kabelarten, Stecker, Netzteile und damit verbundene Sicherheitsfragen. Auch das wird im Robotikunterricht „mitgelernt”.

Fahrgestelle und weitere Möglichkeiten des Zusammenbaus

2. Einfache Aufgaben und Grundlagen

Die folgenden Beispiele sind Unterrichtsideen aus dem Bereich der frühkindlichen Bildung in Kindergarten und Kita, der Grundschule und Förderschule. Sie können aber so oder so ähnlich auch bei anderen Schularten zur Einführung des Themas Robotik im Unterricht dienen.

Analoge Ansätze

Neben der Arbeit mit echten Robotern gibt es auch „unplugged”-Spiele oder Aktivitäten, die ohne digitale Geräte auskommen. Das Konzept „Einmal Roboter sein” ist ein Beispiel dafür, siehe Einmal Roboter sein - Stiftung Kinder forschen

Hierbei schlüpfen Kinder selbst in die Rolle des Programmierenden und des Roboters. Sie steuern sich gegenseitig durch den Raum, z. B. auf einem Raster am Boden. Dabei lernen die Kinder, wie Befehle formuliert und Anweisungen genau umgesetzt werden müssen. Dieses Vorgehen hilft zu verstehen, dass Formulierungen eindeutig sein müssen und viel Interpretationsspielraum offen lassen können. Sie lernen, dass der Weg des Roboters/Menschen im Voraus geplant werden kann. Einzelne Schritte können zu einem „Programm” zusammengestellt werden. Solche analogen Übungen dienen als Vorbereitung für die Arbeit mit physischen Lernrobotern und helfen, erlangte Programmierkenntnisse zu vertiefen. Auch das Kennenlernen der Befehle und Anweisungen für z. B. den Bee-Bot, den Cubetto- Roboter oder auch der Scratch-Programmierblöcke auf Wortkarten durch physische Demonstration, bei der die Kinder selbst Roboter spielen und Befehle ausführen, sind solche analogen Schritte zur Anbahnung des Verständnisses für die Programmierung von Robotern. Diese Verwendung von physischen Befehlskarten oder Programmierkarten (wie bei Bee-Bot, Blue-Bot Tactile Reader, Cubetto, Scratch, usw.) kann als Brücke zwischen analogen und digitalen Ansätzen gesehen werden, da sie den Code visualisieren und das Konzept der Befehlssequenz greifbar machen.

Beispiele für die Umsetzung mit Robotern (spezifisch für frühe Bildung)

Es gibt kindgerechte Lernroboter, die algorithmische Fähigkeiten fördern. Nachfolgend sind beispielhaft einige genannt:

• Der Bee-Bot ist ein kleiner Roboter, der über Tasten auf seinem Rücken programmiert und gesteuert wird. Er eignet sich besonders für Kinder im Kindergartenalter und der 1.-2. Klasse, siehe Der Bienenroboter Bee-Bot und Programmieren_mit_Bee-Bot

• Der Blue-Bot ist der „große” Bruder des Bee-Bot und kann zusätzlich bereits über Tablet oder Tactile Reader gesteuert werden.

• Der mTiny Discover ist ein Lernsystem für die frühkindliche Erziehung, das sozio-emotionale und sprachliche Fähigkeiten sowie strukturiertes Denken spielerisch fördert, auch ohne Computer oder Tablet.

• Der Cubetto ist ein Holzroboter, der ganz ohne Smartphone oder Tablet mithilfe einer elektronischen Holztafel und pfeilförmigen Blöcken gesteuert wird.

• Der Ozobot Evo kann mittels Tablet oder Farbcodes auf Papier gesteuert werden. Der Ozobot Bit kann durch gezeichnete Linien oder den Webeditor programmiert werden.

Programmierung

Die Programmierung der Roboter erfolgt oft über physische Eingaben oder visuelle/ blockbasierte Umgebungen:

• Tastendruck auf dem Roboter (Bee-Bot, Blue-Bot) und Befehlskarten mit Symbolen, die den Code visualisieren (Bee-Bot, Blue-Bot). Die Kinder lernen dabei, dass Symbole Informationen tragen.

• Tactile Reader Legekarten (Blue-Bot)

• Puzzle-Programmierkarten (Smart-Snail, Matatalab)

• Gezeichnete Linien/Farbcodes (Ozobot)

• Einfache Blockprogrammierung über Apps (Dash, Ozobot, Blue-Bot App)

• Werkzeuge wie Scratch Jr. ermöglichen Programmierung ohne Lese- und Schreibkenntnisse für Vorschulkinder.

Unterrichtsideen und Projekte

Folgende Ideen können als Grundlage für die ersten Lerneinheiten dienen:

• Steuern des Roboters auf Programmiermatten

• Erstellen eigener Geschichten mit dem Roboter und der Matte

• Navigieren durch Labyrinthe oder Parcours

• Zeichnen von Formen mit dem Roboter

• Lösen von Aufgabenkärtchen auf dem Spielplan (Buchstaben, geometrische Figuren abfahren)

Eine mögliche Sequenzplanung in der Förderschule könnte zum Beispiel so aussehen:

Im ersten Halbjahr liegt der Fokus darauf, die Kinder mit den Bauteilen, Sensoren und der Programmierumgebung vertraut zu machen. In der Programmieroberfläche werden in Echtzeit die Daten der Sensoren dargestellt. Diese Werte und Funktionen müssen vor der eigentlichen Programmierung verstanden werden. Gleichzeitig können bereits zu Beginn einfache Konstruktionen gebaut werden, um grundlegende motorische Fähigkeiten und räumliches Denken zu fördern. Nach der Einführung in die Programmieroberfläche starten die Kinder mit ersten kleinen Programmen, beispielsweise zur Steuerung von Lichtern oder Motoren. Darauf aufbauend lernen sie den Einsatz von Sensoren kennen, etwa um Hindernisse zu erkennen oder Farben zu unterscheiden. Erste kleine Projekte wie ein Fahrzeug, das Hindernissen ausweicht, oder eine farbgestützte Steuerung bieten Gelegenheit, das erworbene Wissen anzuwenden und zu festigen.

Im zweiten Halbjahr werden die Aufgaben zunehmend komplexer. Die Kinder programmieren mehrere Motoren, entwickeln eigene interaktive Modelle und setzen Bedingungen und Schleifen gezielt ein. Durch Storytelling-Projekte, in denen Roboter auf bestimmte Reize reagieren oder Geräusche erzeugen, wird die Kreativität zusätzlich gefördert. Gruppenarbeiten und kleine Wettbewerbe sorgen für zusätzliche Motivation und stärken soziale Kompetenzen. In den letzten Monaten des Schuljahres haben die Kinder die Möglichkeit, eigene Projekte zu entwickeln und ihre Ergebnisse vorzustellen. Diese Abschlussphase dient der Reflexion und gibt Raum für individuelle Entfaltung.

Zusätzliche Ideen für Unterrichtseinheiten und weiterführende Projekte

• Musikalischer Roboter: Eine Figur spielt eine kleine Melodie

• Emotionen erkennen: Roboter reagiert unterschiedlich auf Farben oder Berührungen

• Mini-Autonomer Staubsauger: Bewegt sich automatisch und weicht Hindernissen aus

• Mini-Karussell: Dreht sich und stoppt, wenn ein Knopf gedrückt wird

• Tanzender Roboter: Bewegt sich im Takt von Musik oder nach einer bestimmten Abfolge

• Wurfmaschine: Eine kleine Katapultkonstruktion

• Parkplatzsuch-Roboter: Fährt so lange, bis er eine freie Parklücke erkennt

3. Fahren

Einen Roboter fahren zu lassen ist eine der ersten Aufgaben im Robotik-Unterricht. Das hört sich einfach an, ist es aber nicht, wenn man sich das im Detail ansieht. Um einen Roboter so zu programmieren, dass er eine bestimmte Strecke fährt und wieder zurückkehrt, sind mehrere Schritte erforderlich, die sich auf die Steuerung der Motoren und die Verwendung einer blockbasierten Programmierumgebung konzentrieren. Auch das gemeinsame Starten bei einem Wettrennen, ist z. B. gar nicht so leicht zu realisieren, siehe Video. Hier ist eine Beschreibung einiger notwendiger Schritte, die Lernende dabei durchführen müssen.

Planung und Strukturierung

• Bevor Lernende mit der Programmierung beginnen, sollten sie die gewünschte Bewegung des Roboters planen. Dies beinhaltet die Festlegung der Strecke und die notwendigen Aktionen der Motoren, um diese zu bewältigen (z. B. Vorwärtsfahren, Drehen, Rückwärtsfahren).

• Die Umgebung, in der sich die Roboter bewegen, kann auch vorgefertigt sein, z. B. Matten mit Linien, Geländeteile, Bauteile für den Transport u. ä. Es kann aber auch einfach mit farbigem Klebeband eine Linie auf den Boden oder einen Tisch geklebt werden. Der Fantasie sind hier keine Grenzen gesetzt.

• Der gleichzeitige Start der Roboter muss auch im Programm verankert werden, vor allem bei Wettrennen.

• Stehen keine echten Roboter zur Verfügung, kann dies auch in einer Simulation programmiert werden, siehe Open Roberta Lab.

Ein Struktogramm (Beispiel siehe Abschnitt 4) kann dabei helfen, die einzelnen Schritte zu visualisieren.

• Die Lernenden sollten verstehen, dass ein Programm eine Schritt-für-Schritt Anleitung für den Roboter ist.

Auswahl der Programmierblöcke

• In einer blockbasierten Programmierumgebung, wie Scratch, MakeCode, Open Roberta oder der Hersteller-Apps für die Programmierung von Blue-Bots, LEGO- Robotern, usw. wählt die Schülerin bzw. der Schüler die entsprechenden Blöcke für die Motorsteuerung aus.

• Die Ausführung der Blöcke als Programm ermöglicht es, die Motoren des Roboters anzusteuern und zu kontrollieren.

• Es gibt Blöcke für Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen, Drehungen und das Anhalten der Motoren.

Steuerung der Motoren

• Im Vorfeld ist es wichtig, den korrekten Anschluss der Kabel am Controller zu prüfen. Nur bei korrekter Zuordnung zu den Eingängen kann die Programmierung funktionieren. Einige Programmierumgebungen zeigen bereits beim Zusammenbau Sensorwerte und die Verbindung zu den Motoren an, was sehr hilfreich für die Lernenden ist. Auf solche Details sollte man beim Kauf der Systeme achten.

• Die Motoren des Roboters werden in der Regel durch die Leistung (Geschwindigkeit) und die Dauer (oder die Distanz) der Bewegung gesteuert.

• Die Lernenden passen dabei die Werte für Geschwindigkeit und Dauer oder Umdrehungen der Motoren in den Blöcken an.

• In manchen Programmierumgebungen gibt es auch die Möglichkeit, die Motorleistung direkt anzusteuern, was für präzisere Bewegungen nützlich sein kann.

• Die Lernenden verstehen die Verknüpfung zwischen den Blockwerten und der tatsächlichen Bewegung des Roboters.

• Um eine bestimmte Strecke zu fahren, müssen die Lernenden möglicherweise experimentieren und die Werte anpassen.

• Die Drehungen können durch eine Differenz der Motorleistungen erreicht werden (z. B. ein Motor fährt schneller oder langsamer als der andere).

Programmierung der Hin- und Rückfahrt

• Um die Hin- und Rückfahrt zu programmieren, müssen die Lernenden die Blöcke für die Vorwärtsbewegung verwenden, gefolgt von den Blöcken für die Rückwärtsbewegung.

• Für die Rückfahrt müssen die Lernenden entweder die entgegengesetzte Richtung programmieren (z.B. durch die Einstellung von negativen Werten) oder einen separaten Block für die Rückwärtsbewegung verwenden.

• Um genau den gleichen Weg zurückzufahren, kann es notwendig sein, die gleichen Werte für die Geschwindigkeit und Dauer bzw. Distanz für Hin- und Rückfahrt zu verwenden, es sei denn, der Roboter kann sich am Ende der Hinfahrt um 180 Grad drehen.

• Alternativ kann der Roboter auch eine Schleife ausführen, wobei die Vorwärtsbewegung eine bestimmte Strecke fährt, gefolgt von einer Drehung um 180 Grad und dann einer Rückwärtsbewegung, die wieder die gleiche Strecke fährt.

Testen und Optimieren

• Nach der Erstellung des Programms müssen die Lernenden es auf dem Roboter testen und gegebenenfalls anpassen.

• Dies kann das Verändern von Werten, das Hinzufügen von weiteren Blöcken oder das Anpassen der Reihenfolge der Blöcke umfassen.

• Die Lernenden müssen gegebenenfalls auch die Geschwindigkeit und die Dauer der Motoren anpassen, um die gewünschte Bewegung zu erreichen.

• Es ist üblich, dass man mehrere Testdurchläufe braucht, bis der Roboter sich so bewegt, wie gewünscht.

• Einige Programmierumgebungen bieten auch einen Simulator, um das Programm virtuell zu testen, bevor es auf den Roboter übertragen wird.

Die blockbasierte Programmierung ermöglicht es den Schülerinnen und Schülern, diese komplexen Aufgaben auf intuitive und visuelle Weise zu lösen, ohne sich um die Details und Syntax des textbasierten Codes kümmern zu müssen. In höheren Klassen und bei Lerngruppen mit entsprechender Erfahrung und Wissen kann man auch mit dem Code arbeiten. Dadurch ist auch immer eine Differenzierung im Schwierigkeitsgrad möglich.

4. Wenden in drei Zügen

Das Wenden in drei Zügen ist eine beliebte Aufgabe im Robotik- Unterricht. Analog zur echten Aufgabe aus der Fahrschule soll das Roboterfahrgestell auf einer „Straße“ in drei Zügen wenden.  

Üblicherweise beginnt diese Einheit mit einem Video aus der Realität.

Schritt 1

Die Lernenden müssen zuerst die Aufgabe genau verstehen: Der Roboter soll auf einer Straße fahren, an einem bestimmten Punkt wenden und dabei drei Züge verwenden. Ein Struktogramm kann hilfreich sein, um die einzelnen Schritte zu visualisieren.

Schritt 2

Die Lernenden entwickeln Ideen, wie der Roboter die Aufgabe lösen könnte. Dazu müssen sie wissen, was der Roboter kann. Sie müssen sich vorstellen, welche Bewegungen der Roboter ausführen muss: vorwärtsfahren, eine erste Drehung, wieder rückwärtsfahren, eine zweite Drehung und wieder vorwärtsfahren.

Schritt 3

Der Roboter muss entsprechend gebaut werden (Fahrgestell). In der App muss dann das Programm entwickelt werden. Dann müssen jeweils die Motoren entsprechend bewegt und Drehungen ausgeführt werden. Die mit Klebeband markierte Straße dient dabei als Orientierung.

Ein Struktogramm kann hilfreich sein, um die einzelnen Schritte zu visualisieren.

5. Vor einem Hindernis anhalten

Bei dieser Art von Aufgaben kommen nun weitere Sensoren ins Spiel, um beispielsweise Hindernisse zu erkennen.

Nutzung von Sensoren

• Für präzisere Bewegungen können die Schülerinnen und Schüler auch Sensoren verwenden, z. B. den Abstandssensor.

• Der Farbsensor kann verwendet werden, um einer Linie zu folgen, oder ein Ultraschallsensor, um ein Hindernis zu erkennen und dann anzuhalten oder auszuweichen.

• Für eine genaue Streckenmessung kann ein Gyrosensor (Winkelsensor) verwendet werden, um Drehungen exakt zu messen.

Schleifen und Bedingungen (optional)

• Um den Programmablauf zu wiederholen (z. B. wiederholte Hin- und Rückfahrten), können Wiederholungen (Schleifen) verwendet werden.

Bedingte Anweisungen (einseitig bzw. zweiseitig)

• diese können in Verbindung mit Sensoren verwendet werden, um das Verhalten des Roboters in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen zu steuern (z. B. wenn ein Hindernis erkannt wird, dann weiche aus).

Eine ähnliche Aufgabe, bei der Wiederholungen verwendet werden, ist z. B. das Fahren eines Quadrats, das sie im folgenden Video sehen: 🎬 Video „Fahren im Quadrat”

Weiterführende Links

Im weiterführenden Artikel Robotik im Unterricht - Praxisbeispiele 2 - Der Linienfolger erfahren sie mehr über eine weitere Möglichkeit, Roboter gewinnbringend im Unterricht einzusetzen. Pädagogische und technische Grundlagen zum Thema Robotik im Unterricht erhalten sie hier.