Durchführung der Unterrichtsidee

In einem Schulversuch im Rahmen einer Arbeitsgemeinschaft erhielten Schüler einer neunten Klasse die oben beschriebenen Baukästen, um interaktive Objekte eines futuristischen interaktiven Gartens zu erstellen. Darüber hinaus wurden sie mit reichlich Bastelmaterial ausgestattet. Die Vorkenntnisse der Schüler waren minimal. Sie haben im parallel laufenden Unterricht Scratch als Programmierumgebung kennengelernt, jedoch noch keine größeren Projekte umgesetzt. Mit eingebetteten Systemen waren sie nicht vertraut, ihre Vorstellung von eingebetteten Systemen entsprach in etwa den folgenden Aussagen: Ein eingebettetes System ist „ein Unterprogramm, das in ein anderes Programm eingebettet ist“ oder „ein Computer, der in einem anderen Computer enthalten ist“.

1. Termin

  • Einführung Physical Computing
Zu Beginn der Einheit fand eine thematische Einführung ins Physical Computing statt. Im Gespräch wurden eingebettete Systeme definiert, anhand von Beispielen konnten die Schüler die Merkmale eines eingebetteten Systems selbst herausfinden und eine klare Abgrenzung zu nicht-eingebetteten Systemen formulieren. Davon ausgehend wurde Physical Computing als das kreative, gestalterische und experimentelle Entwickeln von interaktiven Objekten aus Bastel-, Kunst- und Designmaterialien vorgestellt. Um die Ziele der Arbeitsgemeinschaft vorzustellen – die Ausstellung einer interaktiven Installation aus einzelnen interaktiven Objekten – und einen kleinen Einblick in die Möglichkeiten von Physical Computing im Rahmen der Arbeitsgemeinschaft zu geben, wurden schließlich zwei Beispielprojekte mit kurzen Videos vorgestellt, die die Schüler mit Begeisterung anschauten.

  • Einführung in Hard- und Software
Die Vorstellung der Software wurde minimal gehalten, da die Schüler aus dem parallel stattfinden Unterricht bereits mit der Oberfläche von Scratch vertraut waren. So mussten lediglich Unterschiede aufgezeigt und die Besonderheiten in Bezug auf die Bauteile des Baukastens kurz erläutert werden. Die Schüler waren in dieser Phase sehr ungeduldig und wollten sofort eigenständig beginnen, die Funktionen zu testen. Ausprobieren war eindeutig der favorisierte Zugang, daher wurden Erklärungen sehr kurz gehalten und nur auf die allerwichtigsten Dinge hingewiesen, die nicht intuitiv erfasst werden können (z.B. dürfen Servomotoren nur mit externer Stromquelle betrieben werden).

  • Tinkering

Die Schüler wurden aufgefordert, alle Komponenten des Baukastens auszuprobieren und ihre Erkenntnisse auf einem Arbeitsblatt festzuhalten. Die ersten Fragen tauchten sehr schnell auf: Was ist der Unterschied zwischen analog und digital? Welche Komponenten gehören an die Eingänge, welche an die Ausgänge? Diese im Informatikunterricht sonst doch recht abstrakten Fragestellungen konnten sich die Schüler anhand konkreter Probleme größtenteils selbst oder gegenseitig beantworten. Interessant war zu beobachten, dass sie sich nicht lange damit aufhielten, die einzelnen Sensoren und Aktoren nacheinander zu testen, sondern sie schnell in komplexere Gebilde eingebunden haben. So entstand beispielsweise bei einem Schüler schon in dieser Phase eine komplexe Ampelschaltung mit durch Helligkeitssensor gesteuertem Tag- und Nachtmodus, Bedarfsschaltung und Piepton für blinde Fußgänger. Ein anderer Schüler entwarf ein komplexes Gebilde aus Taster, Kippschalter, blinkenden Lampen, Summer und Servo. Alle Schüler sind im Laufe der Tinkering-Phase mit dem Problem der Mehrfachausführung konfrontiert gewesen, haben die „forever“-Schleife und bedingte Schleifen verwendet und sich mit Alternativen befasst. Arithmetische Operationen, Botschaften und Variablen wurden ebenfalls bereits benutzt – das alles geschah automatisch, intuitiv und interessengesteuert und ohne aktives Eingreifen durch die Lehrperson. Auffällig war auch, dass die Schüler offensichtlich den experimentellen Zugang bevorzugten. Sie haben erst dann nach Hilfe gefragt, wenn sie allein tatsächlich nicht mehr weiter kamen. Dies war jedoch nur selten der Fall. Der anschließende Vergleich der Arbeitsblätter zeigte, dass die Schüler die meisten Bauteile richtig beschrieben haben. Einige Unklarheiten wurden in der Diskussion ausgeräumt. Ein Eingreifen durch die Lehrperson war auch dabei so gut wie nie nötig, die meisten Fragen konnten sich die Schüler gegenseitig beantworten.

2. Termin

  • Brainstorming 

Im Anschluss an die Tinkeringphase begann das eigentliche Projekt. Die Schüler erhielten ein Arbeitsblatt mit verschiedenen Aufgaben. Zunächst wurden in einem Brainstorming mögliche Ideen gesammelt, einige ausgewählte seien hier genannt: Tomatenschutzanlage, Gartentor mit Stimmungsbeleuchtung, Wetterstation, Sonnenschirm, Vogelscheuche, Anti-Maulwurfsystem, Pflanzenerntemaschine, Solarpanelausrichter, Pumpsystem zur Bewässerung.

  • Projektkonzepte entwerfen 

Nach der Entstehung einer umfangreichen Ideenkollektion erfolgt der zweite Schritt der Aufgabe. Die Schüler legten sich auf ein Projekt fest und gaben ihrem interaktiven Objekten Namen. Danach erfolgte die zunächst grobe Projektplanung. Anhand eines Arbeitsblattes haben die Schüler eine To-Do-Liste erstellt, in der sie ihre Arbeitsschritte für die kommenden Wochen festhielten und notwendige Materialien und Bauteile notierten.

  • Konzeptpräsentation 

Die in der vorherigen Arbeitsphase von den Schülern entworfenen Konzepte sowie Grobplanungen der Arbeitsschritte wurden im Anschluss den restlichen Schülern und der Lehrkraft präsentiert. Eine daran anschließende Diskussion diente dazu, mögliche offene Fragen zu diskutieren, sowie hilfreiches Feedback und Anregungen jeglicher Art zu erhalten. Hinterher wurde das grobe Konzept in einen noch detaillierten, jedoch nicht zwingend endgültigen Projektplan überführt, der für die weitere Arbeit als Grundlage zur Orientierung dienen sollte. Die Schüler haben sich für folgende Projekte entschieden:
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Markise: 
Ein Schüler hatte sich vorgenommen, einen Sonnenschirmaufsteller zu entwerfen, der in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit automatisch schließt und öffnet. In der Diskussion mit den Mitschülern schilderte er seine Bedenken bezüglich der Konstruktion und entschied sich schließlich dazu, keinen Sonnenschirm, sondern eine Markise zu bauen. Seine Planung sah zunächst eine genaue Konstruktionsskizze und den Entwurf eines Prototypen vor, bevor er sich um die algorithmische Umsetzung kümmern möchte.


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Briefkasten: 
Ein anderer Schüler hatte sich dazu entschlossen, einen Briefkasten zu bauen, der über einen Piepser Signal gibt, sobald Post eingeworfen wird und zusätzlich anhand einer dimmenden LED signalisiert, wenn der Briefkasten seit dem letzten Posteinwurf nicht geleert wurde. Die Leerung des Briefkastens soll auf Knopfdruck funktionieren. Er hatte zunächst die Idee, auf dem Boden des Briefkastens einen Taster anzubringen, der von eingeworfener Post gedrückt wird, vermutete aber, dass die Post eventuell nicht schwer genug sein oder daneben fallen könnte. In der Diskussion mit den Mitschülern kam die Idee auf, einen Distanzsensor zu verwenden, welcher am Briefkastenschlitz angebracht ist. Dieser Schüler wollte zunächst mit der Programmierung beginnen und anschließend seine Technik in die Hülle des Briefkastens integrieren.
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Gartentor: 
Eine Gruppe aus zwei Schülern hatte sich vorgenommen, ein schwenkbares Gartentor zu bauen, welches über drei LEDs und Soundsignale verschiedene Botschaften mitteilt, beispielsweise ob das Tor bedient werden kann oder verriegelt ist. Außerdem soll es einen Kippschalter zum Sperren und Entsperren des Tores geben, sowie einen Taster, um das Tor zu öffnen und zu schließen. Die beiden Schüler wollten zunächst eine Skizze des geplanten Tores anfertigen, die auch Auskunft über die verwendeten Bauteile und deren Steckplatze auf dem Shield gibt. Danach möchten sie alles programmieren und erst zum Schluss das Tor um ihre Technik drum herum bauen.

3. - 7. Termin

Während der Arbeitsphase arbeiteten die Schüler eigenständig nach ihren selbst erstellten Zeitplänen. Zu Beginn jeder Einheit fand eine kurze Besprechung statt, in der die Schüler sich gegenseitig ihre Tagesziele vorstellten. Am Ende jedes Tages gab es Evaluationsphasen, in denen sie ihre Fortschritte reflektieren, mögliche Probleme und Lösungsansätze diskutierten und fachliche Erkenntnisse nutzten, um den Zeitplan an die sich neu ergebenden Umstände anzupassen. Außerdem führten sie sich dann meist ihre Ergebnisse gegenseitig vor und bewunderten ihre Produkte.

Bemerkenswert war der Ehrgeiz, den die Schüler während der Arbeit an ihren Projekten entwickelten. Bei auftauchenden Problemen suchten die Schüler immer zuerst Hilfe bei ihren Mitschülern, ehe sie auf die Lehrkraft zukamen. Sie brachten viele kreative Ideen ein und besorgten sich zusätzliche benötigte Materialen für die Konstruktion ihrer Objekte. In den seltensten Fällen wurden Ideen verworfen, meist setzten die Schüler sich so lange mit ihren Probleme auseinander, bis sie zu einer akzeptablen Lösung kamen. So hat ein Schüler beispielsweise zu Beginn eine LED gedimmt, in dem er für die zahlreichen verschiedenen Helligkeitsstufen jeweils eine Anweisung in sein Programm eingefügt hat, da ihm die Verwendung einer Zählschleife mit Variable zu kompliziert erschien. Zwischen die einzelnen Helligkeitsstufen hatte er jeweils einen „warte xy Sekunden“-Block geklickt, um die Geschwindigkeit des Dimmens zu regeln. Als er damit fertig war, bemerkte er schließlich, dass er nun, um die Geschwindigkeit zu ändern, jeden einzelnen Block per Hand verändern müsste. Außerdem wollte er die LED in zwei Richtungen dimmen, also von dunkel zu hell und wieder zu dunkel. Dafür hätte er erneut so viele Blöcke hintereinander klicken müssen, wie bereits für die eine Richtung geschehen. Hinzu kam, dass er recht große Abstände gewählt hatte, so dass der Dimmeffekt ziemlich abgehackt wirkte. Aufgrund dieser Erlebnisse hat er sich dazu entschieden, sich zu Hause in Scratch mit Alternativen, Schleifen und Variablen zu befassen, um in der nächsten Woche sein Wissen in S4A umsetzen zu können. 
Ein anderer Schüler hatte zu Beginn ziemlich große Probleme, sowohl bei der Konfiguration der Hardware, als auch bei der Programmierung. Er konnte zunächst nicht unterscheiden, welche Bauteile an Ein- und welche an Ausgänge gesteckt werden und hatte auch weniger Vorerfahrung mit Scratch, so dass die Umgebung für ihn nicht so leicht zu bedienen war wie für die anderen Schüler. Er hat mit viel Ehrgeiz und Geduld so lange alles ausprobiert, bis es schließlich funktionierte. In den folgenden Wochen konnte er sein neu erlerntes Wissen sofort anwenden und daran anknüpfen. Zum Schluss hatte er keine Probleme mehr zwischen Ein- und Ausgängen zu unterscheiden und effiziente Algorithmen zu formulieren. Als er sein erstes funktionierendes Programm fertiggestellt hatte, war dies für ihn ein besonderes Erfolgserlebnis. Er war sichtlich stolz auf seine Leistung, welche auch von seinen Mitschülern bestaunt wurde.
Als die ersten Schüler mit ihren Projekten in der ursprünglich geplanten Fassung fertig waren, fingen sie automatisch an, über Verbesserungen nachzudenken. Dies bezog sich sowohl auf das äußere Design, als auch auf weitere Funktionalität. Zusätzliche Sensoren und Aktoren wurden verbaut und programmiert. Hin und wieder wurden durch die Lehrkraft Hinweise gegeben, wie die Programme noch verbessert oder erweitert werden könnten, so dass am Ende alle Schüler zur gleichen Zeit ihre Projekte fertiggestellt hatten. Anschließend wurden die einzelnen interaktiven Objekte zu einer großen interaktiven Installation zusammengeführt und Interaktionen zwischen den Objekten implementiert. Beispielsweise wird die Anzahl der im Briefkasten befindlichen Briefe als Botschaft an das Gartentor gesendet, welches über eine unterschiedlich schnell blinkende LED Auskunft darüber gibt. Der Kippschalter, welcher das Gartentor ver- und entriegelt wird auch als Aktivator für die Markise verwendet, so dass diese nicht unnötig in Betrieb ist, wenn niemand zu Hause ist. Die Zusammenführung der einzelnen Objekte hatte mehrere Vorteile: zunächst mussten sich die Schüler gegenseitig ihre Programme erklären, so dass alle im Bild über die verschiedenen Funktionen waren. Dann haben sie intensiv beraten, wie eine Interaktion zwischen den Objekten sinnvoll und realisierbar ist. Die Schüler haben die anstehenden Aufgaben untereinander verteilt und sich gegenseitig bei der Umsetzung unterstützt.

8. Termin

  • Präsentation
Im Klassenraum entstand nun ein gemeinsames Kunstobjekt aller Schüler: der interaktive Garten, der sich aus den einzelnen Projekten zusammensetzte. In den Schülerpräsentationen zum Abschluss wurden nicht nur ihre interaktiven Objekte vorgeführt, sondern auch die Funktion dieser Objekte erklärt und die Programme vorgestellt. In einer kurzen Geschichte reflektierten sie außerdem mögliche Einflüsse ihrer Erfindung auf die Gesellschaft der Zukunft. Die Präsentationen wurden von den Schülern gefilmt. Dieses entstehende Video kann einerseits als virtuelle Ausstellung betrachtet werden, die im Informatikunterricht anderen Klassen präsentiert werden kann, andererseits aber auch als Lernprodukt, welches die Schüler mit nach Hause nehmen und ihren Eltern, Verwandten und Freunden vorführen können.