Beispielhafter Ablauf, Dauer: 90 Minuten

1. Einstieg (5 Min.)

Gebt euren Schüler*innen zu Beginn einen kurzen Überblick, was sie von den kommenden Lerneinheiten erwarten können:

• Ziel ist es, dass die Schüler*innen in Teams von drei bis vier einen Roboter bauen, programmieren und mit ihm Aufgaben lösen
• Zunächst werden sie allerdings mehr darüber erfahren, was ein Roboter eigentlich ist und wie sein „Gehirn“ funktioniert
• Zum Bauen der Roboter werden sie als „Gehirn“ den Mikrokontroller „Calliope“ verwenden und ihn mit Motoren und einem Sensor ausstatten
• Neben der technischen Seite geht es auch darum, dass der Roboter cool und einzigartig aussieht
• Die Schüler*innen werden ihre Roboter fahren lassen, auf Kollisionen reagieren und einen Hindernisparcours bewältigen

2. Recherche: Was ist eigentlich ein Roboter? (40 Min.)

Fragt eure Schüler*innen, was sie sich unter einem Roboter vorstellen. Welche Formen und Anwendungsmöglichkeiten fallen ihnen spontan ein? Schaut mit euren Schüler*innen die Folge „Roboter-Check“ von Checker Tobi (YouTube, ca. 24 Minuten). Darin wird erläutert, was ein Roboter ist und welche unterschiedlichen Erscheinungsformen es gibt.

Tipp:
Das Thema Roboter kann in einer eigenen Lerneinheit vertieft werden, z. B. auch nachdem die Schüler*innen die Roboter gebaut und die Aufgaben gelöst haben.

Spannende Forschungsfragen sind in diesem Zusammenhang:

• Welche Aufgaben übernehmen Roboter heute schon in unserer Gesellschaft?
• Welche Aufgaben können Roboter in Zukunft ausführen?
• Können Roboter auch für „schlechte“ Zwecke eingesetzt werden?
• Müssen Roboter immer wie „Roboter“ aussehen?
• Ist es gut, dass Roboter immer „menschlicher“ werden?
• Werden Roboter irgendwann intelligenter als wir? Müssen wir Angst davor haben?

3. Wie funktioniert ein Roboter-Gehirn? Einführung in den Calliope (45 Min.)

Der Calliope Mini ist ein Mikrocontroller, der speziell für Bildungszwecke entwickelt wurde. Neben den grundlegenden Funktionen eines jeden Mikrocontrollers hat er bereits viele Sensoren und Aktoren integriert. Dies ermöglicht es, schnell ohne zusätzliche Komponenten kleine Projekte umzusetzen und auszuprobieren.

Programmierumgebung:
Es gibt verschiedene Editoren für den Calliope. Im Rahmen dieser Unterrichtsreihe verwenden wir den kostenlosen Editor MakeCode.

Um den Calliope kennenzulernen, teilen sich je drei bis vier Schüler*innen in Teams auf und finden mit verschiedenen Materialien sowie der Calliope-Webseite heraus, welche Funktionen der Mikrocontroller bietet und wie er programmiert werden kann. Ihr Wissen können sie in ersten einfachen Übungen anwenden.

Arbeitsanweisung zum Herunterladen:
Händigt euren Schüler*innen die Arbeitsanweisung „Calliope kennenlernen“ aus.

Poster zum Aufhängen:
Zum Schluss der Einheit ist es sinnvoll, mit den Schüler*innen noch einmal die gelernten Programmierprinzipien durchzugehen und ggf. zu vertiefen. Als Gedächtnisstütze für die Funktions- und Programmierweise des Calliopes könnt ihr die folgenden beiden Plakate (angeboten zum Download von Calliope) ausdrucken und an einer Wand im Klassenraum aufhängen:

• Hallo, Calliope Mini! 
• Coden mit MakeCode

4. Ausbauidee: Roboter-Labyrinth

Als Einstieg in die Grundsätze der Programmierung für jüngere Kinder eignet sich ganz besonders die Übung „Roboter-Labyrinth“. Dabei lotsen die Schüler*innen in kleinen Teams jeweils eine Person mit einer Abfolge von Befehlen durch ein Labyrinth. Dabei lernen sie die zentralen Konzepte des Programmierens wie Befehle, Skripte, iterative Fehlersuche, aber auch die Relevanz von Teamarbeit und Kommunikation für den Programmier-Erfolg kennen.

Eine detaillierte Anleitung zur Durchführung der Übung findet ihr z. B. unter einem der folgenden Links:

• Methodensteckbrief Roboter-Labyrinth (Quelle: erlebe IT)
• Aufwärmspiel: Programmieren ohne Roboter (Quelle: Tüftelakademie/Digital Literacy Lab)

Beispielhafter Ablauf, Dauer: 90 Minuten

1. Einstieg (5 min.)

Stimmt eure Schüler*innen darauf ein, dass sie heute ihren Roboter zusammenbauen und erste Dinge damit ausprobieren werden.

2. Roboter zusammenbauen (35 min.)

Damit der Roboter sich später bewegen kann, müssen die Schüler*innen in diesem Schritt die Komponenten des MotionKits mit dem Calliope verbinden.

Beim MotionKit handelt es sich um einen Bausatz, der alle Komponenten beinhaltet, um einen fahrbaren Roboter zu bauen.

Um einen Roboter zu bauen, benötigt jedes Team einen Calliope sowie ein MotionKit.

Arbeitsanweisung zum Herunterladen:
Händigt euren Schüler*innen die Arbeitsanweisung „Roboter zusammenbauen” aus.

Sollte es beim Zusammenbauen der Roboter Verständnisschwierigkeiten bei den Arbeitsschritten geben, können die Schüler*innen auch das Video von MotionKit vom TinySuperLab (YouTube) als Hilfestellung nutzen.

3. Bewegungsabläufe kennenlernen (15 min.)

Bevor es an die tatsächliche Programmierung geht, lernen die Schüler*innen die grundlegenden Befehle zur Bewegung ihres Roboters auf dem Papier kennen.

Arbeitsanweisung zum Herunterladen:
Händigt euren Schüler*innen die Arbeitsanweisung „Bewegungsabläufe kennenlernen“ aus.

4. Bewegungsablauf programmieren (35 min.)

Um auszuprobieren, ob der Roboter richtig zusammengebaut wurde und sich bewegen kann, programmieren die Schüler*innen einen ersten Bewegungsablauf mithilfe des graphischen Editors MakeCode.

Arbeitsanweisung zum Herunterladen:
Händigt euren Schüler*innen die Arbeitsanweisung „Bewegungsablauf programmieren“ aus.

Um die Programmierung auszuprobieren, müssen die Schüler*innen das Programm als .HEX-Datei herunterladen und auf den angeschlossenen Calliope speichern (dieser wird genau wie ein USB-Stick vom Betriebssystem als Laufwerk erkannt und angezeigt).

Sobald die Teams den Beispielcode erfolgreich erstellt und hochgeladen haben, können sie ihn modifizieren, um den Roboter anderen Bewegungsmustern folgen zu lassen. Ermutigt eure Schüler*innen, die Möglichkeiten auszuprobieren und zu verstehen, was die einzelnen Befehle tun.

Ihr könnt den Schüler*innen auch spezifische Aufgaben geben, wie z. B.

• Mit dem Roboter Hindernisse umfahren (z. B. Tischbeine oder einen Mülleimer)
• Losfahren erst nach Drücken eines Knopfes oder Ertönen eines lauten Geräusches
• Richtungsanweisungen auf dem integrierten Display ausgeben
• Mithilfe des Lichtsensors im Dunkeln stehen bleiben
• …

Tipps:
Sollten sich die Motoren nicht aktivieren lassen, so überprüft, ob der kleine Schalter auf der MotionKit-Platine in der richtigen Position ist. Mit diesem kann nämlich die Motorsteuerung ein- und ausgeschaltet werden.

Sollte der Roboter rückwärts statt vorwärts fahren oder sich im Kreis drehen, so kann es sein, dass die Motoren falsch herum angeschlossen sind. Die Motoren werden auf ihrer jeweiligen Seite mit der MotionKit-Platine verbunden, d.h. die Kabel kreuzen nicht auf die andere Seite. Außerdem sollte der jeweilige Stecker so herum in die Buchse gesteckt werden, dass das gelbe Kabel auf der Seite der großen Buchse und den kleinen Pfeilen liegt.

Beispielhafter Ablauf, Dauer: 90 Minuten

1) Einstieg (5 min.)

Stimmt eure Schüler*innen darauf ein, dass sie heute ihren Roboter um eine Kollisionserkennung erweitern werden.

2) Roboter erweitern (20 min.)

Damit die Roboter eine Kollision erkennen können, müssen die Schüler*innen in diesem Schritt ihre Roboter erweitern.

Dazu stellen die Teams einen Stromkreis mithilfe von zwei Kabeln und einer Erweiterung der Karosserie her. Sobald der Roboter gegen ein Hindernis stößt, schließt sich der Stromkreis und der Roboter kann entsprechend darauf reagieren.

Arbeitsanweisung zum Herunterladen:
Händigt euren Schüler*innen die Arbeitsanweisung „Kollisionserkennung – Roboter erweitern“ aus.

Sollte es beim Zusammenbauen der Roboter Verständnisschwierigkeiten bei den Arbeitsschritten geben, können die Schüler*innen wieder das  Video von MotionKit vom TinySuperLab (YouTube) als Hilfestellung nutzen.

3) Kollisionserkennung programmieren (40 min.)

In diesem Schritt programmieren die Schüler*innen die Kollisionserkennung. Der geschlossene Stromkreis, der durch die Kollision entsteht, kann dabei im MakeCode Editor als das Drücken von Pin „0“ ausgelesen werden. Die Roboter können dann auf dieses Signal reagieren, indem sie z. B. anhalten, rückwärtsfahren und die Richtung ändern.

Arbeitsanweisung zum Herunterladen:
Händigt euren Schüler*innen die Arbeitsanweisung „Kollisionserkennung – Roboter programmieren“ aus.

Die Arbeitsanweisung 6 bietet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung.

Da die Schüler*innen sich jetzt schon besser mit der Programmierung des Calliopes auskennen, ist in der Arbeitsanweisung nicht mehr der komplette Programmcode vorgegeben. Die Schüler*innen müssen sich ihren Lösungsweg also selbst erarbeiten.

Eine mögliche Lösung könnte wie folgt aussehen:

4) Kollisionserkennung ausprobieren und optimieren (25 min.)

Ermutigt die Schüler*innen, die Kollisionserkennung auch im Zusammenspiel mit den Robotern der anderen Teams auszuprobieren und weiter zu optimieren.

In diesem Zusammenhang könnt ihr auch mit den Schüler*innen den Aufbau des Programmcodes reflektieren, insbesondere das Zusammenspiel der Befehle in der „Dauerhaft“-Schleife und das Auslösen eines Ereignisses (Kollision erkannt).

Ausbauidee (optional)

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Roboter auf eine Kollision reagieren können. Neben der Ausführung eines bestimmten Fahrmanövers (z. B. Rückwärtsfahren und eine neue Richtung einschlagen), können die Roboter auch visuell, akustisch oder durch das Austauschen von Nachrichten auf die Kollision reagieren.

Ermutigt eure Schüler*innen, verschiedene Möglichkeiten auszuprobieren, wie z. B.:

• Bei Kollision ein rotes Warnsignal per LED oder Display ausgeben
• Einen Warnton ausgeben
• Die Anzahl der Kollisionen zählen (Dies ist mithilfe einer Variable möglich. Der Wert der Variable kann dann auf dem 5×5 LED-Display ausgegeben werden)
• Nach der Kollision zufällig auswählen, ob der Roboter nach links oder rechts dreht (die zugehörigen Funktionen finden sich im Bereich „Mathematik“)
• Eine Nachricht an alle anderen Roboter zu schicken. Diese reagieren ebenfalls visuell auf die Kollision (die zugehörigen Funktionen finden sich im Bereich „Funk“)

Beispielhafter Ablauf, Dauer: 90 Minuten

1) Einstieg (5 min.)

Stimmt eure Schüler*innen darauf ein, dass sie heute mit ihren Robotern einen Hindernisparcours durchlaufen werden.

2) Hindernisparcours bauen (25 Min.)

Jetzt ist Kreativität gefragt! Baut mit euren Schüler*innen einen Hindernisparcours durchs Klassenzimmer. Nutzt dafür vorhandene Materialien wie auf die Seite gelegte Tische, Kisten etc., um einen klaren Weg von einem Start- bis zu einem Zielpunkt festzulegen. Auch kleine Rampen, Tunnel oder Ähnliches können als Teil des Parcours eingesetzt werden.

Startet am Anfang nicht zu kompliziert und erweitert den Parcours lieber später, falls ihn die Teams zu einfach meistern.

3) Roboter programmieren und testen (45 Min.)

Nun müssen die Teams ihre Roboter so programmieren, dass sie den Hindernisparcours ohne fremdes Eingreifen durchlaufen können.

Je nach Geschick und Verständnis der Schüler*innen kann dies als vordefinierte Folge an Bewegungsabläufen (Fahre X cm vorwärts, dann drehe X Grad zur Seite…) oder auch unter Einbezug der Kollisionserkennung erfolgen (Wenn Roboter an die Wand fährt, drehe X Grad nach links/rechts…).

Verschiedene Lösungswege sind möglich. Lasst den Schüler*innen die Freiheit, verschiedene Möglichkeiten auszuprobieren und für sich die beste herauszufinden.

In dieser Phase werden die Teams die Programmierung vornehmen, im Parcours testen und weiter anpassen. Falls sich die Teams gegenseitig stören, kann es sinnvoll sein, klare Testzeiten/-abläufe einzuführen.

Außerdem ist dies eine gute Gelegenheit, dass die Teams ihren Roboter mithilfe von Bastelmaterialien individualisieren und verschönern.

4) Reflexion (15 Min.)

Reflektiert mit euren Schüler*innen, was sie beim Bau und der Programmierung ihres Roboters gelernt haben. Was war schwierig, was war einfach? Welche neuen Konzepte haben sie kennengelernt? Welche Dinge würden sie gerne noch vertiefen?

Überlegt auch gemeinsam, welche Rolle Roboter in Zukunft in der Schule spielen könnten. Welche Aufgaben können sie übernehmen? Was würde dadurch einfacher werden? Und könnt ihr euch vorstellen, dass vielleicht sogar einmal Roboter den Unterricht übernehmen könnten?

5) Weitere Ausbauideen:

Es gibt vielfältige Möglichkeiten, die Roboter zu erweitern und damit zusätzliche Aufgaben zu lösen.
Mithilfe des MotionKits können zum Beispiel ohne weitere Komponenten folgenden Aufgaben umgesetzt werden:

• Mal-Roboter (Anleitung, Quelle: TinySuperLab):
  Der Roboter bekommt einen Stift. Durch die Programmierung von Bewegungsabläufen entstehen Kunstwerke. Durch die Berechnung von Variablen sind auch dynamische Programmierungen möglich.
• Fernsteuerung (Anleitung, Quelle: TinySuperLab):
  Ein Roboter kann durch einen zweiten Calliope ferngesteuert werden. Eine gute Gelegenheit für ein kleines Roboter-Rennen!
• Lichtsteuerung (Anleitung, Quelle: TinySuperLab):
  Mithilfe der Lichtplatine können sich die Roboter an einer Lichtquelle orientieren und dieser folgen.