Einsatz von LEGO: Erste Schritte programmieren für SchülerInnen

Kurzzusammenfassung:

Bei diesem Lehr-Lern-Arrangement wurden LEGO MINDSTORMS Roboter eingesetzt, um SchülerInnen einen Einblick in die Programmierung zu geben, um ihnen informatiknahe Studiengänge vorzustellen. Die Roboter bestehen aus einem EV3-Controller (Brick) und können mit Motoren und Sensoren ausgestattet werden, welche über diesen Controller gesteuert werden. Um dem Roboter eine Form zu geben (z.B. Karosserie) stehen statische LEGO-Teile zur Verfügung. Die SchülerInnen lernen in einem 1-Tages-Workhshop die Grundlagen der Programmierung anhand von LEGO MINDSTORMS kennen mit der beigefügten visuellen Programmiersprache für diese Roboter. Einerseits wird ein roter Faden von den Lehrpersonen vorgegeben, wodurch sie die Möglichkeiten mit dem Roboter erlernen. Andererseits sind die SchülerInnen sehr frei in der Bearbeitung der Aufgaben und haben gegen Ende der Veranstaltung einige Zeit, um ihrer Kreativität freien Lauf zu lassen.


Übersicht

Ziele:

  • Die SchülerInnen machen erste Erfahrungen mit Programmierung.
  • Die SchülerInnen erkennen, dass Schulmathematik Anwendung in der Praxis findet.

Didaktische Funktion(en):

  • Informationsaneignung
  • Transfer & Anwendung

Hintergrund / didaktisch-methodische Einordnung:

Diese Form des Spiels kann den sogenannten Serious Games zugeordnet werden. Darunter werden Spiele verstanden, welche neben dem Unterhaltungswert einen übergeordneten Zweck erfüllen (vgl. Bartel 2019, S.17ff.). Der Einsatz von LEGO® als eine Form des Serious Game wird neben dem Schulkontext auch in der Hochschullehre diskutiert und untersucht und es existieren zahlreiche Anregungen dazu (siehe z.B. LEGO® in Higher Education). Aus pädagogischer Perspektive geht es bei diesem Lehr-Lern-Arrangement darum, spielerisch und in der Komplexität maximal reduziert SchülerInnen ein erstes eigenes Handeln mit Konzepten der Informatik zu ermöglichen. Das bedeutet, dass die Teilnehmenden in kürzester Zeit sowohl eine eigene Hardware (Lego Roboter selbst bauen) als auch Software (ein kleines Programm selbst schreiben) hierfür selbst in einem kreativen Prozess gestalten können und somit komplexe Themen stark vereinfacht kennenlernen und motiviert werden sich mit informatiknahen Themen weiter zu beschäftigen.

Sozialform(en):

Einzelarbeit, Partnerarbeit, Kleingruppenarbeit (3-5)

Anzahl der Lernenden:

4 bis 20 Personen


Voraussetzungen und Ressourcen

Voraussetzungen:

Lehrpersonen müssen Kindern abstrakte Konzepte verständlich vermitteln können. Lehrpersonen brauchen gute Kenntnisse zur Programmierung von LEGO MINDSTORMS Robotern.

Ausstattung & Medien:

Großer Raum mit genug freier Bodenfläche für die Roboter, Tablets, LEGO MINDSTORMS Roboter, PC, 1 Beamer


Ablauf

Beispiele oder Materialien:

Beispielaufgabe: Programmierung eines Parkroboters:

Stellt zwei Stühle auf, wobei der eine um 90° zum anderen gedreht ist und links
vorne vor dem anderen steht. Die zwei Stühle sollen als Garage für den Roboter
dienen. Erstellt dann ein Programm, das dafür sorgt, dass der Roboter von einer
Garage in die andere fährt, anhält, rückwärts ausparkt und wieder in die
Ursprungsgarage fährt.
Beispiele für gebaute Roboter

Hinweise zur Vorbereitung:

Erstellung von Präsentationsunterlagen und Übungen, die sinnvoll aufeinander aufbauen, um den SchülerInnen die Konzepte der Programmierung von LEGO MINDSTORMS Robotern beizubringen. Die LEGO MINDSTORMS Roboter müssen in ihrer Basisform zusammengebaut werden und das LEGO MINDSTORMS Entwicklungsprogramm muss auf allen Schülergeräten vorinstalliert sein. Verpflegung bereitstellen.

Hinweise zur Nachbereitung:

Aufräumarbeiten

Hinweise zur Dauer: Ein ganzer Tag.


Kritische Einordnung

Vorteile und Stärken:

Hat die Chance unentdeckte Interessen für die Softwareentwicklung zu wecken, „Programmierung zum Anfassen“.

Grenzen und Schwächen:

Sehr zeitaufwändig. Es werden viele Geräte und LEGO Hardware benötigt. Es werden mehrere Betreuer für einen ganzen Tag beansprucht.

Sonstige Hinweise:

Das Lehr-Lern-Arrangement wurde i.d.R. mit Schülergruppen um die 20 SchülerInnen durchgeführt, wobei diese in Partnerarbeit arbeiteten und dabei von 4-5 Personen betreut wurden.


Literatur und weiterführende Hinweise
  • Bartel, Alexander (2019): Konzeption und Entwicklung eines DSM-basierten Gamification Authoring Systems zur Unterstützung hochschulischer Lehre. Dissertation. Universität Regensburg.
  • Bartel, Alexander; Figas, Paula; Hagel, Georg (2014): Mobile Game-Based Learning in University Education. In: Feller, Sebastian; Yengin, Ilker (Hrsg.): Educating in Dialog: Constructing meaning and building knowledge with dialogic technology, Benjamins Publishing Company, S. 159–180.

Szenario-basierte Lehre mit LEGO

Kurzzusammenfassung:

Bei diesem Lehr-Lern-Arrangement geht es darum, Studierende mithilfe von realistischen Szenarien in ihrem individuellen Lernprozess zu unterstützen. Anhand dieser Szenarien ist die Aufgabe, das oftmals vereinzelte Wissen in einem ganzheitlichen Kontext anzuwenden und zu verknüpfen. Dadurch entspricht dieses Vorgehen der späteren beruflichen Praxis. Im Folgenden wird das Lehr-Lern-Arrangement am Beispiel eines Verkehrsszenarios mit LEGO-Robotern für einen Software-Engineering Kurs aufgezeigt.


Übersicht

Ziele:

  • Die Studierenden knüpfen bei der Aufgabenbearbeitung an ihre jeweiligen individuellen Erfahrungs- und Wissensschätze an.
  • Das oftmals vereinzelte (fachliche) Wissen wird in einem ganzheitlichen Kontext angewendet und verknüpft.
  • Realistische Nachbildung der beruflichen Praxis.

Didaktische Funktion(en):

  • Transfer & Anwendung

Hintergrund / didaktisch-methodische Einordnung:

Das hier beschriebene Lehr-Lern-Arrangement basiert auf den Prinzipien von Szenario-basierter Lehre (auch Scenario Based Learning, kurz SBL genannt). Hierbei geht es darum, dass Lernprozesse anhand möglichst realistischer Szenarien („real-World contexts“) gestaltet werden. Dabei spielen Grundkonzepte von Problembasiertem Lernen sowie motivationstheoretische Aspekte eine Rolle (siehe hierzu Bartel, Figas & Hagel 2014). Die Ausgestaltung dieser Lernumgebung mit LEGO MINDSTORMS, wie es in diesem Lehr-Lern-Arrangement der Fall ist, kann dabei als eine besondere Form angesehen werden (ein anderes Beispiel für den Einsatz von LEGO in der Lehre ist hier zu finden).

Sozialform(en):

Einzelarbeit, Partnerarbeit, Kleingruppenarbeit (3-5)

Anzahl der Lernenden:

ab 1 Person


Voraussetzungen und Ressourcen

Voraussetzungen:

  • Lehrperson: Muss sowohl mit den unterschiedlichen Aufgabentypen innerhalb des Szenarios vertraut sein, als auch die theoretischen Konzepte beherrschen.
  • Studierende: Benötigen je nach Aufgabentyp Vorkenntnisse in spezifischen Bereiche (z. B. Software-Engineering), um die geforderten Aufgaben lösen zu können.

Ausstattung & Medien:

Seminarraum je nach Anzahl der Lernenden, PC, 1 Beamer, LEGO


Ablauf

Beispiele oder Materialien:

Kontext: In einem Software-Engineering Kurs an der Hochschule Kempten soll ein Verkehrsszenario mit LEGO-Robotern umgesetzt werden. Diese Roboter sollen selbstständig einem vorgegebenen Pfad folgen, bei roten Ampeln halten und Hindernisse erkennen können. (siehe https://www.youtube.com/embed/AzVuEAIkRIM)

Beispielaufgabe: Basierend auf dem beschriebenen Szenario werden den Studierenden Aufgabenstellungen wie z. B. „Implementieren Sie die Ampelschaltung mit ihren Ampelfarben mithilfe des Entwurfsmusters Zustand“ gestellt.

Verkehrsszenario mit LEGO-Robotern

Hinweise zur Vorbereitung:

  • Konzeption eines Szenarios.
  • Ggf. Aufbau eines Models (z.B. LEGO-Verkehrsszenario).
  • Konzeption von geeigneten Aufgaben mit Lösungsvorschlägen.

Hinweise zur Nachbereitung:

  • Die Ergebnisse werden ggf. gespeichert und den Lernenden zur Verfügung gestellt.

Hinweise zur Dauer: Abhängig vom durchzuführenden Szenarien (z. B. ein Semester)


Kritische Einordnung

Vorteile und Stärken:

  • Die Studierenden wenden vereinzeltes Wissen in einem ganzheitlichen Kontext an.
  • SBL bietet Vorteile bei der Wissensaneignung gegenüber traditionelleren Lehr- und Lernmethoden.
  • Unterstützung der Kommunikation und Interaktion zwischen den Studierenden.

Grenzen und Schwächen:

  • Vergleichsweise zeitaufwängig

Sonstige Hinweise:


Literatur und weiterführende Hinweise

Bartel, A., Figas, P., & Hagel, G. (2014). Using a scenario-based approach for learning software engineering. In ECSEE–European Conference Software Engineering Education. Shaker, Aachen, S. 167-179.