Thomas / Weigend Mobil mit Informatik

9. Münsteraner Workshop zur Schulinformatik
1. Auflage 2020
ISBN: 978-3-7519-6487-6
Verlag: BoD - Books on Demand
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 120 Seiten

Informatiksysteme sind bei der Verwendung von Verkehrsmitteln unerlässlich geworden. Bewegung, Kommunikation und flexibles Lernen sind einige Beispiele für Mobilität mit Informatik und spannende Kontexte für einen Informatikunterricht. Seit 2006 werden auf dem Münsteraner Workshop Beiträge zu unterschiedlichen Themen aus dem Gebiet der Schulinformatik diskutiert. Ziel der Veranstaltung ist insbesondere die Förderung des Austauschs zwischen den Schulen und der Hochschule. Der Workshop richtet sich an Informatiklehrerinnen und -lehrer, an Referendarinnen und Referendare, an Fachdidaktiker(innen) und an alle, die sich zur Informatik in der Schule engagieren.

Autoren/Hrsg.

Thomas, Marco

Weigend, Michael

Leseproben

Mobil dank Informatik – der automatisierte Rollator

Kerstin Strecker9

Abstract: In diesem Beitrag wird ein Unterrichtsbeispiel im Bereich physical computing beschrieben. Es geht um die algorithmische Implementation eines Informatiksystems mit Hilfe von LEGO-Robotern. Neben dem Thema Mobilität wird hier noch eine soziale Komponente integriert, da Informatik in diesem Beispiel älteren Menschen hilft, länger mobil zu bleiben und damit ihre Lebensqualität zu erhöhen. Weiterhin bietet dieses Beispiel die Möglichkeit, zu erarbeiten, wie eine Modellierung mit endlichen Automaten in Programmcode umgesetzt werden kann.

Keywords: physical computing, LEGO-EV3, Informatik im Kontext, endlicher Automat

1 Aufgabenstellung

Abb. 1 : der automatisierte Rollator

Rollatoren ermöglichen besonders älteren Menschen eigenständig mobil zu bleiben und sich sicher fortbewegen zu können. Dabei sind Rollatoren so allgegenwärtig, dass sie zur Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler gehören, auch wenn diese selbst noch nie einen Rollator verwendet haben. Allerdings gibt es auch kleinere Probleme beim Umgang mit diesen Gehhilfen, die wir durch die Automatisierung verringern wollen.

Das Beispiel ermöglicht eine ganze Reihe von Verbesserungen. Das Eigengewicht des Rollators stört besonders, wenn der Rollator einen Berg hinaufgeschoben werden muss. Dies könnte mit einer motorisierten Unterstützung erleichtert werden. Da die Gehgeschwindigkeit verschiedener Menschen unterschiedlich ist, könnte ein Motor den Rollator zwar langsam, aber in verschiedenen Geschwindigkeiten leicht vorwärtsbewegen. Eine Hupe könnte integriert werden, damit der Nutzer sich bemerkbar machen kann. Weiterhin könnte ein Ultraschallsensor, der die Entfernung misst und geeignet angebracht ist, dabei helfen, dass Hindernisse erkannt werden. Wird der Rollator auf ein Hindernis zugesteuert, könnte es einen Warnton geben oder die Räder könnten automatisch blockieren. Sehbeeinträchtigte Personen könnten zudem unterstützt werden, wenn ein Lichtsensor auf den Boden gerichtet ist und unser Informatiksystem z.B. akustische Hinweise liefert, wenn weiße Markierungen, wie sie z.B. auf Bahnsteigen üblich sind, überfahren werden.

Dies alles sind Möglichkeiten, die wir in unserer Implementierung zeigen werden. Aber natürlich sind noch weitere Ideen und Erweiterungen denkbar: Bergab droht ein Rollator oft wegzurollen und die mechanische Handbremse erfordert viel Feingefühl in den Händen. Eine automatische Bremse könnte Abhilfe schaffen. Schülerinnen und Schüler werden sicher noch weitere Ideen entwickeln.

2 Modellierung

Wir bauen ein verkleinertes, didaktisch reduziertes Rollator-Modell mit einem LEGO-EV3 Roboter [EV20]. Einen realen Rollator auszustatten wäre mit etwas Aufwand zwar technisch möglich, aber kaum auf normalen Unterricht übertragbar.

Abb. 2: EV3-Modell

Unser Rollator wechselt durch Betätigung eines Drucksensors in verschiedene Modi, die auf dem Display angezeigt werden. Weitere Sensoren sind ein zweiter Drucksensor, ein Ultraschallsensor (vorne) und ein Lichtsensor (auf den Boden gerichtet). Zwei der Räder können über Motoren angesteuert werden.

Die Modellierung der Funktionalität des automatisierten Rollators stellen wir mit einem vereinfachten Mealy-Automaten dar:

Abb. 3: Modellierung der Funktionalität

Drucksensor2 fungiert in jedem Zustand als Hupe, Drucksensor1 wechselt zwischen den Zuständen und im „fahre schnell“- Zustand gibt es ein akustisches Signal beim Überfahren weißer Markierungen. Tauchen in diesem Zustand Hindernisse vor dem Rollator auf, stoppt er automatisch.

3 Implementierung

Wir nutzen für die Implementation das Softwaretool MakeCode [MC20]. Insbesondere steht die Umsetzung eines endlichen Automaten in Programmcode im Mittelpunkt. Der Erfahrung nach muss die Grundidee, eine Variable zu verwenden, die je nach Belegung einen Zustand repräsentiert, vom Lehrenden vermittelt werden. Auf diese Idee kommen (nach Erfahrung der Autorin) nur die wenigsten Schülerinnen und Schüler allein. In unserem Fall heißt die Variable „zustand“ und kann die Werte 1,2 und 3 annehmen.

Abb. 4: Codefragment

Zum Testen ist es sinnvoll, wenn der Name des Zustands zusätzlich auf dem Display ausgegeben wird. Mithilfe der Kontrollstruktur der Alternative können dann bestimmte Aktionen auf bestimmte Sensorwerte hin ausgelöst werden. Wichtig ist, dass dieses Verfahren der Umsetzung eines Automaten in eine „imperative“ Programmiersprache als Konzept vermittelt und noch an mindestens einem weiteren Beispiel trainiert wird, damit diese allgemeine Problemlösestrategie nicht mit der Implementierung dieses konkreten Rollatorbeispiels vermischt wird. Diskrepanzen zwischen Automatenmodell und technischer Realisierbarkeit in der verwendeten Programmiersprache, sollten kurz im Unterricht thematisiert werden.

Für jeden Zustand gibt es eine „Schleife“.

Dieser Befehl ist leider notwendig, da auch bei einer nur kurzen Betätigung des Drucksensors oft gleich mehrere Druckereignisse registriert werden

Drucksensor2 modelliert die Hupe

Abb. 5: Codefragment

In Zustand 2 drehen sich die Räder automatisch sehr langsam. Auch in Zustand 2 modelliert Drucksensor2 die Hupe und Drucksensor1 ist für den Zustandswechsel verantwortlich.

Die weiteren Codefragmente sind auf den folgenden Seiten abgebildet:

Abb. 6: Codefragment

Anmerkungen zu möglichen Aufgabenstellungen finden sich auch in Kapitel 4. Dieses Beispiel konnte bisher leider noch nicht von Schülerinnen und Schülern umgesetzt werden, da keine geeignete Lerngruppe bereit stand. Auf einer Lehrerweiterbildung ist das Beispiel aber auf positive Resonanz gestoßen.

Bezogen auf die Bildungsstandards der GI für die Sekundarstufe I [GI08] können wir mit diesem Beispiel folgende prozess- und inhaltsbezogenen Kompetenzen fördern:

Inhaltsbezogene Kompetenzen: die Schülerinnen und Schüler...

• entwerfen und realisieren Algorithmen mit den algorithmischen Grundbausteinen und stellen diese geeignet dar.
• analysieren und modellieren Automaten

Prozessbezogene Kompetenzen: die Schülerinnen und Schüler...

• erstellen informatische Modelle zu gegebenen Sachverhalten
• implementieren Modelle mit geeigneten Werkzeugen

Abb. 7: Codefragment

4 Anmerkungen zum Kontextbezug

Welche der möglichen Erweiterungen für den Rollator umgesetzt werden, sollte vom Lehrenden so offen wie möglich gelassen werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen hier selbst kreativ werden. Ist das Werkzeug bekannt (hier LEGO-EV3-Roboter) und sind die Schülerinnen und Schüler mit den Sensoren und Aktoren vertraut, so wird durch die Kenntnisse das Spektrum der möglichen Ideen auf das Realisierbare beschränkt. Die Schülerinnen und Schüler können ihre Ideen also in der Regel auch umsetzen. Sie erleben sich als selbstwirksam und können „Produktstolz“ auf ihren automatisierten Rollator entwickeln.

Der Kontext (der automatisierte Rollator) hat einen sozialen Aspekt. Es geht darum, dass Senioren länger eigenständig und mobil bleiben können. Der helfende Aspekt in dieser Aufgabenstellung kann die Einheit dominieren, wenn der Lehrende es zulässt, dass der Kontext im Mittelpunkt steht. Zwar werden informatische Inhalte und prozessbezogene Kompetenzen des Informatikunterrichts vermittelt, dies ist aber eingebettet in die Geschichte, den Kontext. Man vertieft den Kontext z.B. indem im Netz über Rollatoren recherchiert werden darf, ein realer Rollator ausprobiert werden kann oder die Vorteile für die Senioren an dem eigenen Rollatormodell herausgearbeitet werden. Die Schülerinnen und Schüler sollten auch ein bisschen „träumen“ dürfen und formulieren, was sie eigentlich außerdem gerne für Sensoren „verbauen“ würden, z.B. durch die Gestaltung eines Zukunftsposters „Der perfekte Rollator“. So zeigt sich Informatik als Fach, das Strategien und Problemlösungen erarbeitet, die in anderen Bereichen des Lebens wichtig sind. Es zeigt sich, dass es nicht um innerinformatische Problemstellungen geht, sondern dass die Informatik Denkweisen und Ideen vermittelt, um Probleme zu lösen, die in ganz anderen Bereichen auftreten.

Die Autorin vermutet, dass das Konzept, Informatik in soziale oder auch medizinische Kontexte einzubinden, für Mädchen ein „Türöffner“ zur Informatik sein kann. Hinweise dazu finden wir in der Literatur.

Betrachtet man die Kurszusammensetzung der Oberstufe im Schuljahr 2017/18 im Hinblick auf die Geschlechter, zeigt sich, dass Mädchen in der Informatik auf erhöhtem Anforderungsniveau sehr wenig beteiligt sind (16 Prozent). [Nwb19] Im zeitlichen Verlauf von 2010 bis 2018 liegt der Anteil der Mädchen, abgesehen von kurzfristigen Schwankungen, in der Informatik etwa...