Trainingslager 3: Auf Linien reagieren
Programme schreiben, um das Fahrgestell mithilfe des Farbsensors autonom fahren zu lassen
Aufgabe
1. Vorbereitung
- Lesen Sie sich in der LEGO® Education SPIKE™ App die Materialien für Schülerinnen und Schüler durch.
- Für diese Aufgabe benötigen Sie eine dicke, schwarze Linie auf einem weißen oder hellen Untergrund:
▷ Zeichnen Sie eine schwarze Linie auf ein weißes Blatt Papier.
▷ Kleben Sie Isolierband auf einen hellen Untergrund.
▷ Drucken Sie die PDF-Datei mit den Vorschlägen für Linien aus.
▷ Verwenden Sie ein nicht benötigtes Achsen-Element aus dem LEGO SPIKE Set.
2. Einführung (5 Min.)
- Nutzen Sie die unten stehenden Diskussionsideen, um ein Gespräch über den Inhalt dieser Aufgabe anzuregen.
- Erklären Sie diese Aufgabe mithilfe des Videos.
3. Erkunden (20 Min.)
- Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler in Zweiergruppen das Fahrgestell mit Farbsensor bauen.
- Fordern Sie sie dazu auf, den ersten Programmierstapel zu verwenden, um das Übungs-Fahrgestell vorwärts fahren und dann im rechten Winkel zu einer schwarzen Linie anhalten zu lassen.
- Lassen Sie sie den zweiten Programmierstapel ausprobieren und erklären, was dadurch geschieht.
4. Erklären (5 Min.)
- Regen Sie eine Diskussion darüber an, wie der Farbsensor eine schwarze Linie erkennt.
5. Vertiefen (15 Min.)
- Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler das nächste Programm bearbeiten, damit das Fahrgestell einer schwarzen Linie folgen kann.
- Fordern Sie sie dazu auf, das Linienfolger-Programm zu optimieren, damit es noch besser funktioniert.
6. Evaluieren
- Geben Sie allen Schülerinnen und Schülern einzeln Rückmeldung zu ihrer jeweiligen Leistung.
- Zur Unterstützung können Sie hierfür die Bewertungsraster nutzen.
Eine Diskussion anregen
Nutzen Sie diese Ideen, um mit den Schülerinnen und Schülern über Wettbewerbsfelder zu sprechen und über die Linien, die oft darauf zu finden sind.
- Fragen Sie, wie man diese Linien nutzen könnte, um das Fahrgestell-Programm noch effektiver zu gestalten.
- Erläutern Sie die unterschiedlichen Arten von Linien und Kreuzungen:
▷ Dünne Linien
▷ Rechte Winkel
▷ T-Kreuzungen
▷ Unterbrochene Linien
▷ Schwarze Linien, die von einer farbigen Linie geschnitten werden
Zeigen Sie dieses Video, damit die Schülerinnen und Schüler eine Vorstellung davon bekommen, was sie jetzt tun sollen.
Bautipps
Ein einfaches Fahrgestell mit Farbsensor
Verwenden Sie das einfache Fahrgestell mit Farbsensor. Denken Sie auch daran, Kabelbinder zu nutzen.
Verwenden des Farbsensors
Der Farbsensor verfügt über 2 verschiedene Betriebsarten, um diese Aufgabe zu lösen (d. h.: Farbmodus oder Modus der Stärke des reflektierten Lichts).
Der Farbsensormodus „Stärke des reflektierten Lichts“ ermöglicht höchste Präzision. Damit das Fahrgestell einer Linie folgt, muss der Sensor 2 Farben oder 2 verschiedene Stärken des reflektierten Lichts erfassen. Nehmen Sie sich ausreichend Zeit, um gemeinsam mit der Klasse zu erforschen, wie der Sensor Werte liefert. Zum Beispiel:
Verwenden des Motors im Leistungsmodus
Wird ein Motor mit einer bestimmten Geschwindigkeit gestartet, überträgt der Hub schrittweise Leistung (Spannung) an die Motoren, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erreichen und zu halten – ganz gleich, ob das Fahrgestell auf einer ebenen oder geneigten Fläche fährt.
Wird ein Motor im Leistungsmodus gestartet, übermittelt der Hub sofort die gewünschte Leistung (Spannung) an die Motoren.
Bei einem Linienfolger-Programm sollte der Leistungsmodus verwendet werden, da das Fahrgestell hier schneller auf Befehle reagiert, präziser ist und damit die notwendigen kurzen und schnellen Bewegungen ausführen kann (meistens unter 10 Grad, um sich zwischen dem weißen und dem schwarzen Bereich hin- und herzubewegen).
Dieser Block befindet sich in der Kategorie „Weitere Motorblöcke“.
Programmiertipps
Hauptprogramm
Lösungsbeispiel
Weitere Programme
Differenzierung
Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:
- Den Farbsensormodus „Stärke des reflektierten Lichts“ erklären
▷ Im Hilfebereich der SPIKE App finden Sie weitere Informationen zum Farbsensor.
Um die Aufgabe anspruchsvoller zu gestalten, können Sie Folgendes tun:
- Die Aufgabe stellen, die Programme so zu verändern, dass das Fahrgestell Linien verschiedener Größe, Farbe und Form folgt
Leistungsbewertung
Checkliste für Beobachtungen
Erstellen Sie eine geeignete Bewertungsskala, wie zum Beispiel:
- Erwartungen zum Teil erfüllt
- Erwartungen vollständig erfüllt
- Erwartungen übertroffen
Nutzen Sie die folgenden Kriterien, um den Lernfortschritt der Schülerinnen und Schüler zu beurteilen:
- Sie können das Fahrgestell so programmieren, dass es mithilfe des Farbsensors auf Linien reagiert.
- Sie können „IF-ELSE“-Bedingungen im Programm nutzen, um das Fahrgestell einer einfachen Linie folgen zu lassen.
- Sie können das erstellte Linienfolger-Programm optimieren, sodass es präziser arbeitet.
Selbsteinschätzung
Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler selbst den Stein auswählen, der am besten ihrer Leistung entspricht.
- Blau: Wir haben das Fahrgestell so programmiert, dass es im rechten Winkel anhält.
- Gelb: Wir haben unser Fahrgestell so programmiert, dass es einer Linie folgt.
- Violett: Wir haben unser Linienfolger-Programm verändert, damit unser Fahrgestell schneller und effizienter fahren kann.
Lernbeobachtung durch Mitschüler
Ermutigen Sie die Schülerinnen und Schüler dazu, einander Rückmeldungen zu geben:
- Lassen Sie sie einander mit der Steine-Skala (siehe oben) bewerten.
- Lassen Sie sie einander konstruktives Feedback geben, damit sie ihre Teamleistung in der nächsten Unterrichtsstunde verbessern können.
Erweiterung: sprachliche Ausdrucksfähigkeit
Um die sprachliche Ausdrucksfähigkeit zu fördern, können Sie Folgendes tun:
- Stellen Sie ein Programm vor, das sich „differenzierter Linienfolger“ nennt (siehe die Programmiertipps) und lassen Sie die Schülerinnen und Schüler herausfinden, wie das Programm funktioniert.
- Bitten Sie sie, die Leistung des Programms im Vergleich zu den vorher verwendeten Linienfolger-Programmen zu beurteilen.
* Hinweis: Die Erweiterung erfordert zusätzliche Zeit und verlängert die Aufgabe.*
Erweiterung: Mathematik
Um mathematische Fähigkeiten zu fördern, können Sie Folgendes tun:
- Fordern Sie Ihre Schülerinnen und Schüler dazu auf, mit den folgenden Begriffen zu erklären, wie ein Linienfolger-Programm funktioniert, wenn man den Farbsensor die Stärke des reflektierten Lichts messen lässt:
▷ Schwellenwert
▷ Mittelwert
▷ Größer als, kleiner als
▷ Bereich
▷ Prozent
* Hinweis: Die Erweiterung erfordert zusätzliche Zeit und verlängert die Aufgabe.*
In welchen Berufen sind diese Fähigkeiten gefragt?
Schülerinnen und Schüler, die sich für diese Aufgabe begeistern, könnten sich auch für folgende Berufszweige interessieren:
- Informationstechnik (IT-Anwendungen)
- Fertigungstechnik und Maschinenbau (Maschinenbau)
- Fertigungs- und Konstruktionstechnik (Planungsbüros)
Unterstützung für Lehrkräfte
Die Schülerinnen und Schüler werden
- ihr Fahrgestell so programmieren, dass es an einer schwarzen Linie anhält, und
- ihr Fahrgestell so programmieren, dass es einer schwarzen Linie folgt.
Naturwissenschaften und Technik
Produktentwicklung:
- Funktion und Eigenschaften eines Produkts bewerten und Optimierungsansätze entwickeln
Informationsaufnahme und -verarbeitung / Informatik:
- das Prinzip der Steuerung darstellen und erklären (z. B. Robotik)
- Elemente einer Programmiersprache beschreiben (z. B. Anweisung – Sequenz – Bedingung – Verzweigung – Schleife – Zähler – Zeitglied – Unterprogramm)
Technik
Systeme und Prozesse / Information und Kommunikation:
- mit vorgegebenen Bauteilen ein einfaches technisches System (z. B. Fahrzeug, Roboterarm) erstellen, das durch Sensoren gesteuert wird
- physikalische Größen mit Sensoren erfassen und auswerten (Tastsensor, Farbsensor, Gyrosensor (Winkelsensor), Temperatursensor)
Informatik
Programmierung / Algorithmen:
- algorithmische Grundbausteine erläutern und zielorientiert anwenden: Anweisung – Sequenz – Schleife – Verzweigung – Bedingung
- einfache Programme und Programmabschnitte schrittweise testen und optimieren sowie deren Wirkung beschreiben
- Algorithmen analysieren, interpretieren und modifizieren, um die Fähigkeit zu erlangen, fremde Programme flexibel und kritisch zu beurteilen und zu bewerten
Logik:
- einfache Anwendungsbeispiele digitaler Logik mithilfe logischer Grundschaltungen (NICHT, ODER, UND) beschreiben und modellieren
Robotik / automatisierte Prozesse:
- Roboter bzw. ein eingebettetes System mit den zur Lösung einer Aufgabe nötigen Bauteilen (z. B. Sensoren, Aktoren) ausstatten
Folgende Kompetenzen aus den Bildungsplänen für Technik und Informatik sind implizit vorhanden:
- Veränderungen in Systemen als Prozesse beschreiben (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe-Prinzip)
- Informationsverarbeitung nach dem EVA-Prinzip (Zusammenwirken von Sensoren, Prozessoren, Aktoren) beschreiben
- Typen von Sensoren, Aktoren und Verarbeitungskomponenten von technischen Geräten benennen und sie der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe zuordnen
Mathematik
Folgende Kompetenzen aus den Bildungsplänen für Mathematik sind implizit vorhanden:
- mit Größenangaben rechnen und dabei Einheiten korrekt anwenden
- Terme aufstellen, deren Wert bestimmen und zur Problemlösung nutzen
- Zahlen vergleichen und anordnen
- (rationale) Zahlen in Bruch- und in Dezimaldarstellung addieren, subtrahieren, multiplizieren und dividieren
- einfache Formeln nach jeder Variablen auflösen
- Gleichungen mit einer Variablen lösen
Prozessbezogene Kompetenzen
Zusätzlich zu den genannten inhaltlichen Kompetenzen gelten diese prozessbezogenen Kompetenzen, die den Kern des gesamten LEGO® Education SPIKE™ Prime-Sets ausmachen:
Prozesse strukturieren und vernetzen:
Handlungsschritte chronologisch ordnen (auch aufgrund von kausalen Zusammenhängen)
Teillösungen zur Lösung des Gesamtproblems nutzen
Zusammenhänge und Analogien zwischen bekannten informatischen Inhalten bzw. Methoden erkennen und diese auch in neuen Kontexten und Anwendungsbereichen nutzen
Überlegungen, Lösungswege und Ergebnisse darstellen:
- Sachverhalte und eigene Ideen zielgruppenorientiert und unter Beachtung der informatischen Terminologie erläutern und strukturiert darstellen
- Beobachtungen und Messdaten schriftlich festhalten, daraus Schlussfolgerungen ableiten und Ergebnisse verallgemeinern
Kooperativ arbeiten:
- arbeitsteilig als Team Aufgaben planen, strukturieren, ausführen, reflektieren und präsentieren
- mit einem Partner oder in einer Gruppe gleichberechtigt, zielgerichtet und zuverlässig arbeiten und dabei unterschiedliche Sichtweisen achten
Materialien für Schülerinnen und Schüler
Schülerarbeitsblatt
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