Informatik

Drohnen in der Roboter AG

High-Tech Ausstattung mit KI Potential

 

 

Seit Ostern dieses Jahres surrt es einmal wöchentlich in der Pausenhalle des Gymnasiums Lohne, nämlich immer dann, wenn die Roboter-AG stattfindet. In dieser AG können dank des Fördervereins des Gymnasiums Lohne Roboter einer ganz neuen Art eingesetzt werden: Zehn sogenannte Education-Drohnen vom Typ „DJI Robomaster Tello Talent“.

 

 

Diese kleinen Roboter sind zunächst einmal wie normale Drohnen über ein iPad steuerbarund besitzen ebenfalls eine Kamera für Foto- und Filmaufnahmen. Aufgrund ihrer Konstruktion und ihres geringen Gewichts eignen sie sich gut für Innenräume. Als Besonderheit gegenüber anderen Drohnen sind sie aber über das reine Fliegen hinaus als Education-Drohnen konzipiert worden. Sie sind programmierbar wie andere Roboter auch, aber bewegen sich im dreidimensionalen Raum und nicht nur auf dem Boden. Es können unterschiedliche Programmiersprachen verwendet werden, u.a. moderne, visuelle Programmierung mit Textblöcken.

 

 

Die High-Tech Drohnen können einzeln oder auch als Schwarm programmiert werden. So lernen die Schülerinnen und Schüler nicht nur Programmieren und Problemlösen, sondern werden auch in ihrer Kreativität gefördert. Wir sind gespannt auf die erste Drohnenshow am Gymnasium Lohne! Durch Sensoren, aber insbesondere durch die eingebaute Kamera mit Muster- und Gesichtserkennung, ist ein Einstieg in die Künstliche Intelligenz (KI) auf spielerischem Weg möglich. Dabei geht es z.B. darum, Programme zur Steuerung der Drohnen zu entwickeln, so dass diese – basierend auf den Ergebnissen der Bilderkennung – Personen verfolgen oder passende Positionen für komplexe Flugmanöver auswählen können. Diese Flugmanöver lernen die Drohnen durch Einlesen und Auswerten von acht verschiedenen sogenannten „Missionpads“, die man auf den Boden legt.
Die KI-Fähigkeit von Produkten und Programmen wird in naher Zukunft, zurzeit sicher auch angeregt durch Programme wie Chat GPT o.ä., eine wesentliche Rolle in der Berufswelt spielen.
Den derzeitigen Schülern der Roboter-AG macht der Umgang mit den Drohnen sehr viel Spaß. Von Schülern, die während der AG in der Pausenhalle vorbeikommen, hört man immer wieder ein „Will ich auch!“. Damit ist man dem Ziel, nämlich bei den Schülerinnen und Schülern die Neugier und Begeisterung für die Programmierung und Robotik zu wecken, ein beträchtliches Stück nähergekommen. (Rm)

 

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Aktuelles aus der Robotik AG

In der Homeschooling Phase haben die Schülerinnen und Schüler unter der Anleitung von Kurt Reimer z

uhause Lego Roboter gebaut und programmiert. Die Ergebnisse wurden am letzten Dienstag (01.06.2021) im Informatikraum präsentiert.

Unter anderem war ein Handwasch-Roboter zu sehen, der selbständig erkannte, ob sich eine Hand unter dem Seifenspender befand und der dann eine für einen Handwaschvorgang ideale Menge Seife aus einem handelsüblichen Seifenspender spendete. Mit Argusaugen wachte der Roboter dann darüber, ob die nach den Hygienevorschriften des Landes Niedersachsen vorgeschriebend Waschzeit auch wirklich eingehalten wurde. Erst, wenn das kleine Roboterärmchen eine Fahne ganz nach oben hielt, durfte der Waschvorgang beendet werden und Papier zum Abtrocknen wurde gereicht:

Es gab eine Reihe weiterer gelungener Projekte, von denen einige hier aufgeführt sind, wie z.B. ein Teezubereitungsroboter, der sensorgesteuert einem Teebeutel in eine Tasse zelebrierte und ihn nach idealer „Ziehdauer“ auch wieder heraus zog:

Ein Zweiradroboter lief nur auf zwei Rädern und konnte sogar Überschläge machen, er wurde in unterschiedlichen Ausführungen gebaut:

Desweiteren gab es eine Einradroboter, dessen Steuereinheit in einem großen Einrad patziert war:

Ein E-Biker mühte sich ab, eine Strecke bis kurz für die nächste Wand zu fahren, vor der er abstoppen konnte:

Ein Transportroboter konnte Gegenstände in Räume bringen, wenn diese die passende Farbe aufwiesen:

Mit einem Katapultroboter konnten auf Befehl Gegenstände abgeschossen werden:

Bei einem Reaktiontester konnten zwei Spieler gegeneinander antreten, die bei in einer vorgegebenen Zeit möglichst oft eine Taste drücken mussten. Der Gewinner wurde durch den Roboter angezeigt:

 

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Die Mindstorm Robotik AG (Nachmittagsbereich)

In Klasse 6 lernen Schülerinnen und Schüler im Rahmen der Mindstorm Robotik AG die Grundlagen des Programmierens kennen. Um die Motivation der Mädchen und Jungen hochzuhalten wird auf einen spielerischen Einstieg Wert gelegt. Angestrebt wird die Teilnahme an dem Roboterwettbewerb „World Robotic Olympiad“. Bei diesem Wettbewerb lösen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Aufgaben, indem sie ihre erlernten Fähigkeiten anwenden.

Der Roboter wird zu Beginn als ein Lebewesen betrachtet, welches auf den Namen „Roberta“ hört. Roberta lernt mithilfe verschiedener Sinne die Umwelt kennen. Dazu werden unterschiedliche Sensoren (Berührungssensor, Abstandssensor, Farbsensor) programmiert. Im Laufe des ersten Halbjahres löst Roberta immer mehr Aufgaben und die Schülerinnen und Schüler lernen die Grundlagen des Programmierens (z.B. Schleifen, Abfragen, Sensorwerte verarbeiten, Fehlersuche, …). Die Vorbereitung auf den Wettbewerb soll im zweiten Schulhalbjahr stattfinden.

Darüber hinaus hat sich seit Mitte des Jahres 2018 ein Roboter Netzwerk im Landkreis Diepholz gegründet, dessen Aktivitäten auch nach Lohne hin ausgedehnt werden sollen. Verschiedene Schulen und die Wissenswerkstatt Diepholz möchten einen regelmäßigen Austausch anstreben und gemeinsam ein Netzwerk aufbauen. Im Rahmen dieser Kooperation entwickelte sich bereits bei den ersten Treffen die Idee, einen eigenen regionalen Roboterwettbewerb zu organisieren. Die Schülerinnen und Schüler der verschiedenen Schulen treten z.B. bei diesem Wettbewerb gegeneinander an oder entwickeln gemeinsame Lösungsstrategien.

Die neueren Lego Mindstorms EV3 können außerdem mithilfe von Tablets (z.B. iPad) programmiert werden, da sie sich per Bluetooth mit den Lego Mindstorms EV3 verbinden. Insbesondere an Wettbewerbstagen müssen die Schülerinnen und Schüler ihre Roboter u.a. an die Lichtverhältnisse vor Ort anpassen oder auf Überraschungsaufgaben reagieren. Dazu sind Tablets sehr hilfreich, da direkt am Spieltisch verschiedene Einstellungen getestet werden können.

 

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Digitale Bildung am Gymnasium Lohne

 

Ziel dieses Konzeptes ist die Umsetzung einer zeitgemäßen Bildung in der digitalen Welt. Ein integrales, möglichst stark fächerübergreifendes und fächerverbindendes Medienkonzept hilft dabei, es zu erreichen.

Grundpfeiler des Konzeptes ist die Vermittlung einer informationstechnologischen Grundbildung in der Klasse 5. Aufbauend und begleitend bieten wir interessierten Schülerinnen und Schülern innerhalb des Nachmittagsunterrichts verschieden Arbeitsgemeinschaften an. Zur Zeit sind dies im MINT-Bereich für die 5er und 6er die Naturwissenschafts-AG, für 6er und 7er die Lego-Roboter-AG und die Begabtenförderung Mathematik mit zwei Gruppe (Jahrgänge 5-8 und 9-13).

Darüber hinaus gibt es Projektgruppen wie die SolarCup Gruppe, in der es primär um die Teilnahme an Solarautorennen geht.

Im Folgenden werden die jeweiligen Anwendungsbereiche aufgeführt. Hierbei werden aktuelle Projekte, Nachmittagsangebote und Unterrichtsbeispiele aus den natur- und geisteswissenschaftlichen Fächern aufgezeigt, welche sich besonders im Bereich Medienkompetenz hervortun. Darüber hinaus soll das zukünftige Potenzial mit entsprechenden Endgeräten deutlich gemacht werden.

 

Informationstechnologische Grundbildung in Klasse 5

Grundpfeiler des Medienkonzeptes am Gymnasium Lohne ist die „Informationstechnologische Grundbildung“ in Klasse 5. Die Durchführung wird zu Beginn des Schuljahres geregelt. Angekoppelt an den Mathematikunterricht kann dies eine Sunde im Halbjahr, oder auch Blockunterricht sein.

Neben der Nutzung spezieller Programme für die einzelnen Fächer wird hier der Umgang mit Standardsoftware (WINDOWS, EXPLORER, INTERNET EXPLORER (und andere Browser, FIREFOX, GOOGLE), WORD, POWERPOINT), sowie der Datenaustausch zwischen diesen Programmen trainiert. Hierzu gehört auch die Informationsbeschaffung und Informationsaufbereitung von Datenmaterial (Texte oder Textpassagen, Bilder, Videosequenzen, animierte Grafiken, Musikfiles) jeglicher Art aus dem INTERNET oder von unserem IServ-System.
Wichtig für die weitere Arbeit in allen Klassenstufen sind dabei auch Übungen im Umgang mit dem IServ-System. Die Schüler lernen hier alle wesentlichen Techniken zum Speichern, Finden, Verknüpfen und Zusammenführen von Daten aller Art.

Aufbauend auf dieser Grundbildung der Klasse 5 werden innerhalb des Fachunterrichts der Klassen 7-10 in längeren Unterrichtssequenzen (etwa 10 Stunden) verschiedener Fächer neue Technologien und fachspezifische Programme eingesetzt.

 

Die Mindstorm Robotik AG (Nachmittagsbereich)

In Klasse 6 lernen Schülerinnen und Schüler im Rahmen der Mindstorm Robotik AG die Grundlagen des Programmierens kennen. Um die Motivation der Mädchen und Jungen hochzuhalten wird auf einen spielerischen Einstieg Wert gelegt. Angestrebt wird die Teilnahme an dem Roboterwettbewerb „World Robotic Olympiad“. Bei diesem Wettbewerb lösen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Aufgaben, indem sie ihre erlernten Fähigkeiten anwenden.

Der Roboter wird zu Beginn als ein Lebewesen betrachtet, welches auf den Namen „Roberta“ hört.[1] Roberta lernt mithilfe verschiedener Sinne die Umwelt kennen. Dazu werden unterschiedliche Sensoren (Berührungssensor, Abstandssensor, Farbsensor) programmiert. Im Laufe des ersten Halbjahres löst Roberta immer mehr Aufgaben und die Schülerinnen und Schüler lernen die Grundlagen des Programmierens (z.B. Schleifen, Abfragen, Sensorwerte verarbeiten, Fehlersuche, …). Die Vorbereitung auf den Wettbewerb soll im zweiten Schulhalbjahr stattfinden.
Aufgrund der derzeitigen Ausstattung kann das Angebot dieser AG nicht erweitert werden. Um der Nachfrage gerecht zu werden, möchten wird mittelfristig die Teilnahme an verschiedenen Roboterwettbewerben (z.B. World Robitc Olympiad, FIRST LEGO League oder RoboCup) auch Kindern höherer Klassenstufen ermöglichen, um so die Schülerinnen und Schüler auf spielerische Art und Weise für die Informatik und Technik zu begeistern.

Darüber hinaus hat sich seit Mitte des Jahres 2018 ein Roboter Netzwerk im Landkreis Diepholz gegründet, dessen Aktivitäten auch nach Lohne hin ausgedehnt werden sollen. Verschiedene Schulen und die Wissenswerkstatt Diepholz möchten einen regelmäßigen Austausch anstreben und gemeinsam ein Netzwerk aufbauen. Im Rahmen dieser Kooperation entwickelte sich bereits bei den ersten Treffen die Idee, einen eigenen regionalen Roboterwettbewerb zu organisieren. Die Schülerinnen und Schüler der verschiedenen Schulen treten z.B. bei diesem Wettbewerb gegeneinander an oder entwickeln gemeinsame Lösungsstrategien.

Aufgrund der begrenzten Anzahl an Lego Mindstorms Roboter an unserer Schule werden neue Roboter benötigt, um diese Ideen umzusetzen. Außerdem gibt es für die genutzten Lego Mindstorms NXT Roboter aus dem Jahr 2006 kaum noch Ersatzteile (z.B. Sensoren). Dies erschwert die Teilnahme an Wettwerben, so dass eine Modernisierung der Ausstattung notwendig erscheint. Die neueren Lego Mindstorms EV3 können außerdem mithilfe von Tablets (z.B. iPad) programmiert werden, da sie sich per Bluetooth mit den Lego Mindstorms EV3 verbinden. Insbesondere an Wettbewerbstagen müssen die Schülerinnen und Schüler ihre Roboter u.a. an die Lichtverhältnisse vor Ort anpassen oder auf Überraschungsaufgaben reagieren. Dazu sind Tablets sehr hilfreich, da direkt am Spieltisch verschiedene Einstellungen getestet werden können.

 

Solarmobil Projekt

Ein weiteres interessantes Themenfeld, welches wir an unserer Schule etablieren möchten, ist die Teilnahme an verschiedenen Solarautorennen in der Region. Im Schuljahr 2019/20 waren verschiedene Gruppen unserer Schule in diesem Bereich sehr erfolgreich. Diese Tradition soll fortgesetzt werde. Von dem Preisgeld konnte ein 3D-Drucker angeschafft werden.

 

3D-Druck

Ein weiteres interessantes Themenfeld, welches wir an unserer Schule etablieren möchten, ist der Einsatz von 3D-Druckern. Diese Technologie wird von vielen Ingenieuren für Prototypen genutzt, um schnell neue Produkte testen zu können. Ein 3D-Drucker bietet ganz neue Möglichkeiten und ist in vielen Bereichen einsetzbar. Im Schulalltag können individuelle Ersatzteile angefertigt werden. In der Physik können Exponate ergänzt oder eigene Physikexperimente entwickelt werden. In der Mathematik sind Möglichkeiten in der analytischen Geometrie und im Themenfeld der Rotationskörper denkbar. Im Seminarfach Chaostheorie können dreidimensionale Fraktale gedruckt werden. Auch im Fach Kunst ist ein 3D-Drucker einsetzbar, um völlig neue Kunstobjekte zu kreieren.

 

Elektronik und Sensorik (Adruino)

Mithilfe von preiswerten Microcontrollern (wie z.B. Arduino und Raspberry PI) ist die Programmierung einfacher Sensorschaltungen (Blinkschaltungen, Heizungssteuerung, Lichtschranken, Barcodeleser…) möglich bis hin zum Bau von Robotern. In Kooperation mit der Fachschaft Physik können zudem eigene Experimente entwickelt werden (z.B. unter Verwendung der App „Phyphox“ der Universität Aachen). Eine weitere Idee ist die Entwicklung eigener Smarthome-Lösungen mit verschiedenen Sensoren, die ebenfalls mithilfe oben genannter Microcontroller programmiert werden.

Die Jugendlichen durchlaufen dabei die üblichen Prozesse einer Projektentwicklung. Die Kombination aus der Konstruktion von 3D-Objekten und der Programmierung von Microcontrollern bietet den Schülerinnen und Schülern einen weiteren Zugang zur Informatik und Technik.

Die obige Auflistung zeigt, dass der 3D-Druck in Verbindung mit der Programmierung von Microcontrollern interessante und vor allem völlig neue Möglichkeiten im Schulalltag bietet. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln insbesondere in Projektphasen die Kompetenz der Teamfähigkeit weiter und lernen die vielfältigen Möglichkeiten des 3D-Drucks kennen.

 

Einsatz von Tablets im Unterricht

Der Einsatz eines mobilen Tablet-Koffers bietet eine Fülle von neuartigen Einsatzbereichen in allen Unterrichtsfächern an. Darüber hinaus ermöglicht dieser, dass sich die Lehrerinnen und Lehrer sukzessive vertraut mit einer „neuen“ Form des Unterrichtens machen. Dies ist insofern von Bedeutung, da der (mögliche) verpflichtende Einsatz von Tablets nur noch eine Frage der Zeit ist.

Schon jetzt werden z.B. im Physikunterricht Tablets mit Erfolg eingesetzt z.B. bei der Videoanalyse realer Bewegungsabläufe oder in Kombination mit dem Handy als Messsensor und den ausgereiften Apps der PhyPhox Sammlung der Uni Aachen. Zudem lassen sich die vielen, verbauten Sensoren in einem Tablet mit geeigneten Apps (wie z.B. Phyphox) auslesen. Beispielsweise kann der Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungen unterschiedlicher Bewegungen (z.B. Schwingungen, Bahn, Auto) genutzt werden.

Von vielen Lehrmittelfirmen gibt es zusätzlich externe Sensoren, die sich per Bluetooth und der entsprechenden App mit dem Tablet verbinden. Damit lassen sich u.a. Kräfte, Temperaturen, Drucke, elektrische Spannungen und elektrische Stromstärken messen.

 

 

 

Insgesamt lässt sich unser zukünftiges Konzept folgendermaßen tabellarisch zusammenfassen:

 

Thema	Mindstorm Robotik	Elektronik und Sensorik	3D Druck
Jahrgang	Klasse 6/7	Klasse 9/10 Im Aufbau	übergreifend
Fach	Arbeitsgemeinschaft	Arbeitsgemeinschaft	Seminarfach Chaos Solarauto Projekt Physik/ Mathematik
Inhalte	Grundlage des Programmierens (Schleifen, Abfragen, Sensorwerte verarbeiten, Fehlersuche)	Elektronik in Anwendungen. (Blinkschaltungen, Heizungssteuerung, Lichtschranken, Barcodeleser, …), Roboterbau	Entwicklung eigener Projekte unter Einsatz eines 3D Druckers und weiterer Elektronik (z.B. Arduino und Rasperry Pi)
Ziele	Wettbewerb (z.B. World Robot Olympiad (WRO), First Lego Leaque) Roboter Netzwerk u.a. mit der Wissenswerkstatt Diepholz	Kooperation mit der Wissenswerkstatt Diepholz	3D-Druck und die Möglichkeiten kennen lernen erste einfache Projekte realisieren eigene Projektideen entwickeln und Probleme lösen
iPad Einsatz	Programmierung mit der App „MINDSTORMS EV3 LEGO“ Nutzung der grafischen Programmierumgebung „Open Roberta Lab“	Nutzung der grafischen Programmierumgebung „Open Roberta Lab“	Nutzung der grafischen Programmierumgebung „Open Roberta Lab“ Fernsteuerung von Roboter mit geeigneten Apps Messwerterfassung mit der App „Phyphox“ Messwerterfassung über Kopplung eines Handys mit dem I-Pad