Robotik unterrichten

Es ist allseits bekannt, dass die Informations- und Telekommunikationstechnologie (ICT) in das tägliche Leben von vielen Menschen eingetreten ist und die Art und Weise des Lernens und der Kommunikation verändert hat. Viele junge Leute sind es gewohnt Informationen über das Kursmaterial über verschiedene Kommunikationswege aus dem Internet zu bekommen. Bevor versucht wird ein Problem zu lösen wird erst eine schnelle Suche nach möglichen Lösungen, Beispielen oder Hintergrundinformationen durchgeführt. Da die tägliche Kommunikation teilweise in soziale Netzwerke verlagert wurde, ist es nur natürlich, dass die Methodik, welche von den Schulen angewandt wird auch diesem Trend folgen muss, um die Studierenden in ihrem täglichen Umfeld zu erreichen. Natürlich wird die traditionelle Lehrmethodik nicht komplett ersetzt, aber sich nur auf diese zu verlassen ist heutzutage nicht mehr genug.

Robotik und Mechatronik sind sehr zukunftsreiche Gebiete, in denen es sehr wichtig ist den neuesten Trends und Technologien zu folgen. Gleichzeitig sind diese Gebiete sehr praktisch veranlagt und es verlangt viel manuelle Erfahrung Fähigkeiten und Wissen zu erlangen. Selbst verschiedene virtuelle Simulationen können durchgeführt werden um das Systemverhalten zu verstehen. Trotzdem ersetzten die virtuellen Simulationen nicht die praktische Erfahrung mit echter Hardware. Das Folgende ist eine praktische Anleitung wie ein Robotikkurs eingeführt werden kann, in dem verschiedene Lehransätze genutzt werden. Die Methodik erwartet, dass der Lehrer das HomeLab kit benutzen kann.

Aspekte die bei der Erstellung eines neuen Kursen berücksichtigt werden müssen:

  1. Gruppengröße

Die optimale Anzahl der Teammitglieder ist weitgehend durch die Anzahl der Computer Arbeitsplätze begrenzt. Das bedeutet, dass normalerweise nicht mehr als 3 Personen zusammen an einem Arbeitsplatz arbeiten können. Wenn mehr Personen an einem Arbeitsplatz arbeiten müssen könnte es sein, dass sie nicht in der Lage sind aktiv an der Arbeit teilzunehmen und somit die Konzentration auf die Arbeit verloren geht.

  1. Praktische Arbeit und Berichterstattung

Die Praktische Arbeit ist unterteilt in Übungseinheiten, wobei jede Übung eine ähnliche Struktur besitzt und mit einem Bericht endet, jedoch unterschiedliche Fähigkeiten trainiert. Es ist außerdem möglich die Arbeit innerhalb der Gruppe aufzuteilen, so dass zum Beispiel ein Mitglied für die Erstellung des Quellcodes, ein anderes Mitglied für die Erstellung des Berichts und ein Mitglied für das Anschließen der Hardware verantwortlich ist. Zusätzlich zu dem kommentierten Quellcode sollte der Bericht auch Algorithmen, Beschreibungen der Arbeit, Antworten auf die gestellten Fragen, ein Schema der Hardwareverbindungen und Vor- und Nachteilbeurteilungen der Übung enthalten. Der letzte Punkt ist ein gutes Feedback für den Lehrenden um den Schwierigkeitsgrad der Übung einzuschätzen und wie interessant die Übung für die Lernenden war.
Es ist wichtig, dass man die Beispiele zusammen mit einem Betreuer implementiert, da dieser Hintergrundinformationen zu den Funktionen bieten und die Beispiele lösen kann. Die ganze Vorgehensweise sollte schriftlich Schritt für Schritt festgehalten werden, damit jeder Lernende folgen kann und so sicher gegangen werden kann, dass alle Teilnehmer den Ablauf verstanden haben, auch wenn sie in unterschiedlichen Geschwindigkeiten voran kommen. Eine mögliche Übungsablaufstruktur ist im Folgenden beschrieben, kann jedoch je nach Situation und Bedürfnissen angepasst werden.

  • Einführung in die Übung
    • Der Lehrer erklärt die neue Übung, geht alle nötigen theoretischen Inhalte durch und führt zusammen mit dem Teilnehmern ein Beispielprogramm aus.
    • Die Übungseinheit ist in kleinere Teile unterteilt, wobei jeder Teil aus einem theoretischen und einem praktischen Teil besteht, in welchem dann Quellcode entwickelt werden soll. Das bedeutet, dass der Quellcode anhand von theoretischen Erklärungen entwickelt wird.
  • Individuelle Arbeit. Die individuelle Arbeit erfolgt gemäß den Arbeitsanweisungen der Übungseinheit. Hier sind Ziele, Arbeitsprozesse, Anforderungen und die Berichterstattung definiert. Die Schüler lernen selbstständig (entweder alleine oder in einer kleinen Gruppe) und erhalten, wenn nötig, Unterstützung von ihren Lehrern. Ziel des eigenständigen Arbeitns ist jedoch, die Lösung selbstständig zu finden. Wenn möglich, sollten die Schüler das HomeLab kit mit nach Hause nehmen können, um so auch dort arbeiten zu können. So sind sie nicht an den Zeitrahmen und Ort der Übung gebunden.
  • Berichte. Lernende müssen einen Bericht verfassen, in welchem sie ihre Arbeit gemä´den Anforderungen an einen Bericht beschreiben und welcher Antworten auf Fragen des Lehrers an die Gruppe gibt. Der Bericht sowie die Lösung der Aufgabe (HEX-Datei) sollen dem Lehrer per E-Mail zugeschickt oder in den E-Learning Bereich hochgeladen werden.
  • Überprüfung
    • Der Lehrer überprüft und bewertet den Bericht sowie die erarbeitete Lösung jeder Gruppe qualitativ.
    • Er kann überprüfen, ob die Lösung entsprechend der Übungsvoraussetzungen funktioniert und darüber hinaus von den Schülern verlangen, das Programm mündlich zu erläutern. In diesem Fall sollte jedes Gruppenmitglied einen Teil des Berichtes erklären.
  1. Gruppenmanagement

Bei der Durchführung von Übungen in einem Klassenraum kommt es häufig vor, dass eine GRuppe langsamer arbeitet als die anderen und somit stärker vom Lehrer unterstützt werden muss, um nicht hinterherzuhängen. Ähnlich ist es, wenn eine Gruppe schneller arbeitet als alle anderen und somit auf die nächste Aufgabe warten muss. Beide Probleme können minimiert werden, wenn der Arbeitsprozess für alle offensichtlich dargestellt ist und jeder einzelne die vollständigen Übungsanweisungen zu Beginn der Übung erhält. So kann die Gruppe arbeiten, ohne auf die nächstesn Anweisungen des Lehrers warten zu müssen, indem sie einfach den Anweisungen folgt. Darüber hinaus enthält jeder Übungsabschnitt am Ende Aufgaben in verschiedenen Schwierigkeitsgraden, die der Lehrer je nach Fortschritt und Fähigkeiten der Gruppe verteilen kann.

  1. Bewertung

Soll letztendlich sicher gestellt werden, dass alle Teilnehmer die vorgestellten Programmierfähigkeiten erlernt haben, so kann der Leherer die Gruppenarbeit derart gestalten, dass jedes Gruppenmitglied selbst programmieren und dieses auch präsentieren muss. Eine andere Möglichkeit wäre, dass der Lehrer zufällig ein Mitglied der Gruppe auswählt, welches dann das Programm vorstellen muss. Auch wenn diese Person den Code vielleicht nicht persönlich geschrieben hat. Das Endergebnis wird dann für die gesamte Gruppe gezählt, ausgehend vom Schwächsten Mitglied. Sollte diese Art der Bewertung ungerecht wirken, kann auch innerhalb der Gruppe eine individuelle Berichterstattung durchgeführt werden.

  1. Fehlerbehebung

Die Schüler machen im Umgang mit der Hardware oder beim Programmieren häufig ähnliche Fehler. Daher ist es sinnvoll, auf der Webseite einen Bereich für häufig gestellte Fragen (FAQ - Frequently Asked Questions) einzurichten. So können die Lernenden Zeit sparen, da sie bei häufig auftretenden Fragen oder Problemen schnell Hilfe finden. Der FAQ-Bereich sollte zusammen mit den Lösungen im Support-Bereich der HomeLab Webseite verfügbar sein.

  1. Wettbewerb

Zur Steigerung der Begeisterung für Robotik-Studien kann die praktische Arbeit mit einer Art Wettbewerb verbunden werden. Die Gruppen müssen zu einem gegebenen Problem eine Lösung erarbeiten, welche anschließend gemeinsam bewertet wird. Die Beurteilungskriterien (Zeit, Geschwindigkeit, Entfernung, etc.) müssen klar definiert und bekannt gegeben werden. Darüber hinaus können weitere Kriterien herangezogen werden um die Ansicht, den Erfindungsreichtung, die Kosteneffizenz und weitere Aspekte der Lösung zu bewerten. Die Aufgabe kann darüber hinaus auch mit Problemstellungen des täglichen Lebens verbunden werden wie zum Beispiel ein Projekt zu Batteriesortierern oder Sicherheitssystemen. Meistens werden Aufgaben aus der Hobbyrobotk oder der mobilen Robotik gestellt, wie beispielsweise ein Roboter, der einer Linie folgen soll, Sumoroboter, Ballspiele etc.

 

Das folgende Beispiel veranschaulicht eine typische Übungsanweisung, die für praktische Übungen verwendet werden kann.

Lab Nr 3. Sensoren und Analog-Digital Konverter

Leiter: Sven Seiler

Das Ziel

  1. Grundlagen über Analog-Digital-Konverter und das Konvertieren analoger Signale mit dem AVR ATmega128 8-Bit Mikrocontroller.
  2. Verschiedenen Sensoren mit analogem Output kennenlernen
  3. Eine einfache Übung mit einem analogen Sensor durchführen.

Benötigte Ausrüstung

HomeLab Basic kit, Sensor and Motor Add-On kit, AVR Programmiersoftware.

Arbeitsanweisungem

  1. Führen Sie die Übung mit dem Potentiometer durch.
    http://home.roboticlab.eu/en/examples/sensor/potentiometer
  2. Führen Sie die allgemeine Aufwärmübung durch.
    http://home.roboticlab.eu/en/exercises/sensor
  3. Absolvieren Sie die gruppenspezifische Aufgabe. (diese wird rechtzeitig vom Übungsleiter bekannt gegeben)
  4. Beantworten Sie die Fragen (gruppenspezifische Fragen werden rechtzeitig vom Übungsleiter bekannt gegeben)

Bericht

Der elektronische Bericht muss nach der eigenständigen Arbeit eingereicht werden und folgende Struktur aufweisen:

  • Arbeitsbericht
    • Das Ziel
    • Kurze Beschreibung der durchgeführten Arbeit
    • Ausdruck des Algorithmus und Quellcodes für die Schritte 2 und 3.
      Achtung! Der Quellcode muss kommentiert und farbig gekennzeichnet sein(um das Farbsystem korrekt in MS Word oder einem OpenOffice Programm darzustellen könnte das „Programmer's Notepad“ genutzt werden)
    • Anworten auf die Fragen (Schritt4)
    • Ergebnisse und Kommentare
  • Lösungen (HEX-Dateien) von Schritt 2 und 3

Der Bericht muss den eigenen Namen, die Nummer des Übungsabschnitts, das Datum sowie die Namen der Gruppenmitglieder (bei einer Gruppenarbeit) enthalten. Er sollte kurz und präzise verfasst sein wobei die Qualität wichtig ist, nicht die Quantität. Sie sollten darauf vorbereitet sein, die Lösung zu präsentieren oder den Quellcode zu kommentieren. Der Bereicht muss in den Bereich für Hausarbeiten des E-Learning Systems hochgeladen werden. Der letzte Abgabetermin für den Bericht ist eine Woche nach Beginn der Übung.

Lektüren

  1. HomeLab Support-Center: http://home.roboticlab.eu
  2. ATmega128 Datenblatt
  3. Sharp Infrarotsensor Datenblatt
de/supervisors/methodology.txt · Zuletzt geändert: 2018/12/27 12:53 (Externe Bearbeitung)
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