Ozobot - Roboter verstehen, gestalten und beurteilen

Im Folgenden finden Sie eine Unterrichtsreihe mit dem Roboter Ozobot zum Thema Roboter verstehen, gestalten und beurteilen.

Zielsetzung

Die hier vorgestellte Unterrichtsreihe ist in der Fortführung des Projektes „Informatik an Grundschulen“ an der Universität Paderborn entstanden. Ziel der vorliegen Unterrichtseinheit ist es, den Schülerinnen und Schülern mithilfe des Roboters Ozobot, als beispielhaftes Informatiksystem (Roboter), einen Einblick in den Aufbau und die Funktionsweise dieser Systeme zu geben, um somit diese Systeme im gesellschaftlichen Kontext besser reflektieren zu können. Die Unterrichtseinheit umfasst 10-12 Unterrichtsstunden und kann in Verbindung oder als Alternative zum Modul „Wie funktioniert der Roboter“ aus dem Projekt „Informatik an Grundschulen“ eingesetzt werden.

Die Unterrichtseinheit hat die für das Fach Informatik relevanten Themenbereiche „Algorithmen und Programmierung“, „Informatiksysteme“ sowie „Informatik, Mensch und Gesellschaft“ zum Gegenstand. Zwar haben die Kinder keine direkten Erfahrungen mit Robotern und deren Einsatzgebieten in der Industrie oder Dienstleistungsbereichen, allerdings kann davon ausgegangen werden, dass die Schüler/innen erste Vorstellungen zu Robotern aus Geschichten, Erzählungen, Bildern und Filmen sowie im Umgang mit Spielzeugen entwickelt haben[2]. An diese ersten Ideen der Kinder zum Phänomen „Roboter“ kann das Modul anknüpfen, um das Phänomen „Roboter“ in der Vorstellungswelt der Schüler/innen im informatischen Sinne begrifflich weiterzuentwickeln und schrittweise zu präzisieren. Durch spielerisches Ausprobieren und Experimentieren können sich die Kinder zunächst die Funktionen und den Aufbau des Roboters erschließen. Auf diese Weise lernen sie im Unterricht beispielsweise das EVA-Prinzip (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe) als grundlegendes Prinzip der Informationsverarbeitung kennen. Am Beispiel des Roboters wird für sie erfahrbar, dass konkrete und präzise Handlungsanweisungen sowie Problemlösestrategien zur Steuerung und Problemlösung benötigt werden. Anhand der Programmiersprache Ozoblockly machen die Schüler/innen erste Erfahrungen mit einer visuellen Programmiersprache und lernen darüber erste grundlegende Prinzipien dieser kennen. Einen weiteren Schwerpunkt der Unterrichtseinheit bildet der Bereich „Informatik, Mensch und Gesellschaft“. Hier finden sowohl kreativ-konstruktive wie auch kritisch-konstruktive Auseinandersetzungen mit Robotern statt. Beispielhafte Diskussionsfragen sind hier: „Welche Art von Robotern sind sinnvoll?“ „Was sollte ein Roboter niemals können?“.

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[2] Müller, K., Schulte, C.: „Are Children Perceiving Robots As Supporting or Replacing Humans?: First Empirical Results and Classification of Preconceptions Within a Theoretical Framework“. In: Proceedings of the 13th Workshop in Primary and Secondary Computing Education, 10:1–10:4. WiPSCE ’18. New York, NY, USA: ACM, 2018.

Zu erwerbende Kompetenzen

Folgende übergeordnete Kompetenzen können im Rahmen der Unterrichtseinheit erlernt werden:

Anknüpfungspunkte an die Informatik Standards für die Primarstufe der GI

	Die Schülerinnen und Schüler ...	Inhaltsbereich	Prozessbreich
K1	erläutern, dass ein Roboter präzise Befehle als Eingabe benötigt.	Sprachen & Automaten	Modellieren & Implementieren
K2	explorieren und beschreiben die Funktionen und den Aufbau des Ozobots.	Algorithmen & Programmierung, Informatiksysteme	Interagieren & Explorieren, Kommunizieren & Kooperieren
K3	erläutern die Funktionsweise des Ozobots anhand des EVA-Prinzips.	Informatiksysteme	Kommunizieren & Kooperieren
K4	benennen die Bauteile des Roboters und ordnen diese dem EVA-Prinzip zu.	Informatiksysteme	Kommunizieren & Kooperieren, Darstellen & Interpretieren
K5	lösen Problemstellungen in dem sie Handlungsvorschriften durch Farbcodes umsetzen und dabei unterschiedliche Problemlösestrategien anwenden und ihre Vorgehensweise erläutern und reflektieren.	Information & Daten, Algorithmen & Programmierung,	Modellieren & Implementieren, Begründen & Bewerten, Strukturieren & Vernetzen, Kommunizieren & Kooperieren, Darstellen & Interpretieren
K6	lösen Problemstellungen mit der Programmiersprache Ozoblockly und können einfache Programme mit Ozoblockly schreiben.	Algorithmen & Programmierung	Modellieren & Implementieren
K7	beschreiben und bewerten technische Entwicklungen und die Folgen ihrer Weiterentwicklung für den Alltag.	Informatik, Mensch & Gesellschaft	Begründen & Bewerten, Kommunizieren & Kooperieren

(Genaue Erläuterungen der Inhalts- und Prozessbereiche finden Sie in den Informatikstandards der GI für die Primarstufe[1] und in der Expertise zur frühen informatischen Bildung der Stiftung Haus der kleinen Forscher[2]).

Einordnung in den Lehrplan Sachunterricht und den Medienkompetenzrahmen NRW

Kompetenzerwartungen Lehrplan Sachunterricht ______________________________ Einordnung Medienkompetenzrahmen NRW

Einordnung der Reihe Bereich: 3.2 Technik und Arbeitswelt Schwerpunkt: Maschinen und Fahrzeuge Die SuS … · untersuchen den Aufbau und die Funktion einfacher (mechanischer) Geräte und Maschinen und beschreiben ihre Wirkungsweise. · können technische Erfindungen beschreiben und die Folgen ihrer Weiterentwicklung für den Alltag und die Umwelt bewerten. Schwerpunkt: Bauwerke und Konstruktionen Die SuS… · fertigen und nutzen einfache Modellzeichnungen. Bereich: 3.4 Mensch und Gemeinschaft Schwerpunkt: Zusammenleben in der Klasse, in der Schule und in der Familie Die SuS… · versetzen sich in die Bedürfnisse, Gefühle und Interessen anderer und argumentieren aus deren Sicht. · nutzen adäquate Verfahren, um Entscheidungen zu führen (Abstimmungen, Beratungen). ____________________________________________________________________________________________________________________________ 1. Bedienen und Anwenden Die SuS… · lernen verschiedene digitale Werkzeuge (hier Roboter) und deren Funktionsumfang kennen, und setzen diese kreativ, reflektiert und zielgerichtet ein (1.2). 4. Produzieren und Präsentieren Die SuS... · planen, gestalten und präsentieren Medienprodukte adressatengerecht (4.1). 5. Analysieren und Reflektieren Die SuS… · entdecken die Chancen und Herausforderungen von Medien für die Realitätswahrnehmung und lernen, diese für ihre eigene Identitätsbildung zu nutzen (5.3). · erkennen und vergleichen die Zielsetzungen einzelner Medienangebote und nutzen diese reflektiert und zielgerichtet für einen bewussten Umgang mit ihnen (5.4). 6. Problemlösen und Modellieren Die SuS… · lernen grundlegende Prinzipien und Funktionsweisen der digitalen Welt kennen, verstehen und bewusst nutzen (6.1). · erkennen und reflektieren algorithmische Muster und Strukturen in verschiedenen Kontexten (6.2). · können Probleme formalisiert beschreiben, Problemlösestrategien entwickeln und dazu eine algorithmische Sequenz planen; diese auch durch Programmieren umsetzen und die gefundene Lösungsstrategie beurteilen (6.3). · beschreiben Einflüsse von Algorithmen und Auswirkungen der Automatisierung von Prozessen in der digitalen Welt und reflektieren diese (6.4).

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[1] Kompetenzen für informatische Bildung im Primarbereich https://www.informatikstandards.de/docs/v142_empfehlungen_kompetenzen-primarbereich_2019-01-31.pdf (letzter Zugriff: 17.06.2019)

[2] Stiftung Haus der kleinen Forscher (Hrsg.), Frühe informatische Bildung- Ziele und Gelingensbedingungen für den Elementar- und Primarbereich, 2018, Verlag Barbara Budrich http://dx.doi.org/10.3224/84742107 (letzter Zugriff: 17.06.2019)

Aufbau der Unterrichtsreihe

Thema der Einheit	Kurzbeschreibung	Zeit (ca.)
1. Einführung   „Was sind Roboter?“	Die SuS aktualisieren ihre Vorkenntnisse zum Thema „Roboter“ und erarbeiten handlungsorientiert, dass ein Roboter eindeutige Befehle benötigt.	1 Schulstunde
2. Werkstattarbeit „Wir lernen die Ozobots kennen“	Die SuS lernen den Ozobot kennen und erproben durch Experimentieren und Beobachten seine Funktionsweise.	1 Doppel-stunde
3.1 Vertiefung und kreatives Erproben „Aufbau des Ozobots und EVA-Prinzip"	Die SuS erstellen Hypothesen über die Konstruktion des Ozobots und fertigen Zeichnungen an. Sie erkennen einen Zusammenhang zwischen den Konstruktionsteilen und dem EVA-Prinzip.	1 Schulstunde
3.2 Vertiefung und kreatives Erproben „Farbcodes und Zeichnen!“	Die SuS verfestigen ihre gemachten Erfahrungen, indem sie eigene Wegenetze und Problemaufgaben für den Ozobot entwerfen und zeichnen. Dabei wird zusätzlich thematisiert, welche Arten von Fehlern auftreten und welche Ursache diese haben, z.B. schlecht gezeichnet, oder Sensor erkennt Farbe nicht etc.	1 Schulstunde
4.1 Weiterführung „Probleme lösen - Denkaufgaben und Rätsel"	Die SuS lösen verschiedene Denkaufgaben und Rätsel indem sie Farbcodes einsetzen. Sie reflektieren ihre Vorgehensweise anhand eines Problemlösekreislaufes.	1 Doppel-stunde
4.2 Weiterführung "Probleme lösen - Ozoblockly/ozoblockly game"	Die SuS lernen die Programmierung des Ozobots mit Programmierbausteinen kennen.   Dabei nutzen sie den erarbeiteten Problemlösekreislauf. 4.1 und 4.2 können ggf. auch parallel durchgeführt werden, wenn die Klasse in Gruppen aufgeteilt wird, die entweder am PC oder auf Papier arbeiten.	1 Doppel-stunde
5.1 Reflexion „Wir entwickeln die Ozobots weiter - Eine kreativ-konstruktive Auseinandersetzung zum Robotereinsatz"	Die SuS entwerfen Weiterentwicklungen des Ozobots und stellen sie vor. Anknüpfend findet eine kritische Diskussion über die Weiterentwicklungen statt. Sind sie realistisch?, Sind sie sinnvoll? etc. Dadurch soll ein Verständnis des Roboters als programmierte Maschine vertieft und eine erste kritische Diskussion über Roboter ermöglicht werden.	1-2 Schulstunden
5.2 Vertiefung/ Reflexion „Wer ist schuld? - Eine kritisch-konstruktive Auseinandersetzung zum Robotereinsatz"	Die SuS diskutieren verschiedene Probleme rund um die Einsatzmöglichkeiten eines Roboters und erkennen, dass ein Roboter eine von Menschen programmierte Maschine ohne selbständiges Denken ist.	1-2 Schulstunden

Hinweise zum Unterricht und zur Materialerstellung

Im Folgenden finden Sie einige Hinweise und Tipps, für die Arbeit mit den Ozobots, die auf den Erfahrungen aus der Praxis basieren.:

• Die Lichtverhältnisse haben zum Teil Einfluss auf die Sensoren des Ozobots, so kann es zum Beispiel in sehr dunkler Umgebung oder bei sehr starker Sonneneinstrahlung dazu kommen, dass der Ozobot Farbcodes oder gar Linien nicht korrekt erkennt.

• Achten Sie auf eine regelmäßige Kalibrierung des Ozobots, besonders dann, wenn der Ozobot auf unterschiedlichen Materialien genutzt wird. Es kann sonst zu Fehlern kommen. Sollte eine erneute Kalibrierung nicht helfen und es auch kein Problem mit den Lichtverhältnissen geben, gibt es die Möglichkeit den Ozobot über die App zurückzusetzen. (Für den Ozobot bit die App Ozobot Groove, Ozobot Tuneup, Reset)

- Über die App kann auch mit TuneMotors eine Neuausrichtung der Motoren durchgeführt werden, falls der Ozbot mal sehr schief fahren sollte.

• Wenn Sie Material laminieren möchten, auf dem der Ozobot fahren soll, benutzen Sie ausschließlich matte Laminierfolien, normale Folien reflektieren zu stark

• Stifte: Neben den originalen Stiften der Firma Ozobot haben wir mit folgenden Stiften bzw. Farben gute Erfahrungen gemacht:

- Ikea Mala

- Neuland Marker mit den Farben Schwarz (100), Rot (200), Hellblau (302), Hellgrün (401). Diese sind in der Anschaffung teurer, aber nachfüllbar.

• Neben Stiften können auch Klebepunkte verwendet werden (8mm).

• Für weitere Hinweise, z.B. zur Reinigung der Räder etc., beachten Sie bitte die Herstellerinformationen und ggf. den entsprechenden YouTube Kanal des Herstellers.

Die Unterrichtsreinheiten im Detail

Im Folgenden finden Sie die detaillierten Stundenverläufe für die Unterrichtseinheit. Diese Verläufe sind erprobte Vorschläge, die Sie gerne an Ihren eigenen Stil und Bedarf anpassen dürfen und sollen. An einigen Stellen gibt es auch Hinweise auf Alternativen.

Was sind Roboter? (Einzelstunde)

Einführung: Was sind Roboter?
Ziele und Kompetenzen	Medienkompetenzrahmen NRW Die SuS… · aktivieren ihr Vorwissen in Bezug auf das Thema. · äußern Vermutungen über Zusammenhänge und Funktionsweisen von Robotern. · erkennen, dass ein Roboter präzise Befehle als Eingabe benötigt.
Zeit	1 Stunde (mit Alternative 2 Stunden)
Materialüberblick	- Cluster Für Alternative Doppelstunde: - 01AB_genaue_befehle - 01AB_zeichne_ein_bild - 01M_Bilder - ggf. 01M_createface (Material auf Englisch)
Zusätzliches Material	- DVD-Player, Beamer, Fernseher, etc. - DVD „Was ist Was: Computer und Roboter“ - reale Beispiele, Modelle oder Fotos für Roboter (Kuscheltiere, Staubsauger, Spielzeugroboter, etc.)
Vorbereitung	Arbeitsblätter kopieren, ggf. Material createface

Handlungsschritte	Materialien / Medien
Als Einstieg in die Stunde dient eine Abfrage des Vorwissens der SuS zum Thema „Roboter“. Dazu äußern sie Vermutungen über Zusammenhänge und Funktionsweisen von Robotern und stellen diese in einem Cluster dar. Eventuell können auch Fragen der Kinder zum Thema gesammelt werden, die dann am Ende der Einheit wieder aufgegriffen werden.	· Tafel oder Papier für das Cluster
Als Hinführung zum Thema soll an dieser Stelle, wenn verfügbar, ein Ausschnitt aus der DVD „Was ist Was. Computer und Roboter“ gezeigt werden (11:48 – 20:29). In diesem Filmausschnitt werden Roboter, ihre Funktionsweise und ihre Bedeutung kurz vorgestellt. Die Kinder erhalten dazu einen Beobachtungsauftrag: Was sind die Vorteile von Robotern? Diese werden anschließend an der Tafel oder mit einem Blitzlicht gesammelt. Alternativ lässt sich diese Frage („Was sind die Vorteile von Robotern?“) auch ohne den Film stellen.	· DVD „Was ist Was. Computer und Roboter“ · Beamer, DVD-Player etc.

Alternative 1 (bei einer 45-Minuten-Stunde)

Materialien / Medien

Deutlich werden soll auch: Roboter benötigen konkrete Anweisungen, da sie nicht, wie Menschen, auf Erfahrungen und Interpretationen zurückgreifen können. Im Gespräch oder anhand von Rollenspiel oder auch im Film (https://youtu.be/leBEFaVHllE, Roboterlehrer schmiert ein Marmeladenbrot) wird deutlich, dass Roboter eindeutige Befehle benötigen. Zum Abschluss stellt die Lehrkraft die Frage, warum Anweisungen für einen Roboter genauer sein müssen als für einen Menschen. Je nach verbleibender Zeit kann diese Frage im Plenum diskutiert werden oder in kurzen Diskussionen untereinander in einer anschließenden Blitzlichtrunde besprochen werden.

Alternative 2 (bei einer 90-Minuten-Stunde)	Materialien / Medien
Fortsetzung der DVD (20:29 – 21:10). Es wird ein Ausschnitt von der oben genannten DVD gezeigt, bei dem ein Robotergesicht Gefühle darstellen soll. Dem Roboter wird ein entsprechender Befehl gegeben („Glücklich“) und das Gesicht stellt das Gefühl dar. Wenn die DVD nicht verfügbar ist, ist es auch möglich, diese Szene als Übergang zu den genauen Anweisungen zu überspringen.	· DVD „Was ist Was. Computer und Roboter“ · Beamer, DVD-Player, etc.
Nach dem Beispiel von der DVD bekommen die Kinder in Partnerarbeit die Aufgabe, sich gegenseitig Gefühle zu nennen, die sie mit ihrem Gesicht (ggf. mit dem ganzen Körper) darstellen sollen. (ca. 5 Minuten) Alternativ: Diese Übung lässt sich auch mit Material durchführen (01M_createface). Aufgabe wäre in diesem Fall das Legen der Gefühle mit dem entsprechenden Material.
Im Sitzkreis machen nun einige Teams ihre „Gefühle“ vor. Die restlichen Kinder sollen das Gefühl erkennen. Anschließend wird gemeinsam überlegt, was genau bei dem Gefühl passiert (z.B. „Freude“: grinsen, „strahlendes Gesicht“, kleine Falten, Augen etwas geweitet, etc.). Diese einzelnen Punkte werden jeweils zu dem Gefühl notiert. Die Lehrkraft erklärt, dass ein Roboter auf die Anweisung: „Zeig ein freudiges Gesicht!“ nur reagieren kann, wenn er weiß, was er machen muss. Er benötigt genaue Anweisungen dafür.
Die Kinder erhalten nun für die Überlegung, welche Befehle konkret sind, ein Arbeitsblatt mit Befehlen. Sie müssen herausfinden, welche der Befehle so genau sind, dass man sie ohne Rückfrage ausführen kann. Zusätzlich sollen sie einige der ungenauen Befehle verbessern.	· 01AB_genaue_befehle
Anschließend sollen die Kinder mithilfe eines „Schneeball-Systems“ Kriterien für „gute Anweisungen“ finden. Schneeball-System: Zuerst überlegt sich ein Kind 3 Kriterien, dann tauscht es sich mit dem Partner/der Partnerin aus und sie reduzieren ihre insgesamt 6 Kriterien auf 3, anschließend werden in einer Vierer-Gruppe die 6 nun vorhandenen Kriterien wiederum auf die 3 wichtigsten reduziert. Jede Vierer-Gruppe stellt nun ihre Kriterien vor. Diese werden an der Tafel notiert.	· „Schmierpapier“, je 3 Blätter pro Kind
Zum Abschluss stellt die Lehrkraft die Frage, warum Anweisungen für einen Roboter genauer sein müssen als für einen Menschen. Je nach verbleibender Zeit kann diese Frage im Plenum diskutiert werden oder in kurzen Diskussionen untereinander in einer anschließenden Blitzlichtrunde besprochen werden.
Evtl. bleibt am Ende der Doppelstunde noch Zeit. Dies ist zum Beispiel möglich, wenn auf den Einsatz der DVD verzichtet wird. In dem Fall bieten sich noch weitergehende Übungen oder Aufgaben an: Die Kinder können die Aufgabe 2 aus dem Forscherheft („Malt ein Bild“) bearbeiten, bei der sich die Kinder Rücken an Rücken setzen und sich gegenseitig ein Bild beschreiben, welches der jeweilige Partner anhand der Anweisungen nachmalen muss. Es dient eigentlich als Einstieg in das Forscherheft, um zu Beginn der Doppelstunde das Thema „genaue Anweisungen“ noch einmal aufzugreifen. Als vertiefende Übung am Ende der 1. Doppelstunde kann die Aufgabe aber ebenso eingesetzt werden.	· 01AB_zeichne_ein_bild