Eine industrielle Förderanlage entwickeln

Vorbereiten
- Lesen Sie diese Unterrichtsmaterialien durch.
- Falls Sie es für nötig erachten, planen Sie eine Unterrichtsstunde ein, in der Sie zur Einführung die Erste-Schritte-Materialien in der EV3 Desktop-Software oder der EV3 Programmier-App bearbeiten. Dies wird Ihren Schülerinnen und Schülern dabei helfen, sich mit LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3 vertraut zu machen.

Einführen (30 Min.)
- Nutzen Sie die unten stehenden Diskussionsideen, um ein Gespräch über den Inhalt dieses Projekts anzuregen.
- Erklären Sie das Projekt.
- Teilen Sie die Klasse in Zweierteams auf.
- Geben Sie den Schülerinnen und Schülern Zeit, um Ideen zusammenzutragen.

Erkunden (30 Min.)
- Lassen Sie die Teams mehrere Prototypen entwickeln.
- Regen Sie sie dazu an, sowohl beim Bauen als auch beim Programmieren zu experimentieren.
- Lassen Sie die Teams zwei Lösungen bauen und testen.

Erklären (60 Min.)
- Lassen Sie jedes Team seine Lösungen ausprobieren und anschließend die beste auswählen.
- Achten Sie darauf, dass sie in der Lage sind, eigene Tabellen für die Tests zu erstellen.
- Lassen Sie den Teams etwas Zeit, um ihre Projekte abzuschließen und Materialien zum Dokumentieren ihrer Arbeit zusammenzustellen.

Vertiefen (60 Min.)
- Geben Sie den Teams Zeit, um ihren Abschlussbericht zu erstellen.
- Lassen Sie die Teams einzeln ihre Ergebnisse vorstellen.

Beurteilen
- Geben Sie allen Schülerinnen und Schülern einzeln Rückmeldung zu ihrer jeweiligen Leistung.
- Zur Unterstützung können Sie hierfür die Bewertungsraster nutzen.

Industrielle Förderanlagen transportieren verschiedenste Dinge – von Rohstoffen bis hin zu verpackten Endprodukten – an unterschiedliche Orte. Förderbänder sind die bekanntesten Anlagen dieser Art. Daneben werden viele weitere verschiedene Ausführungen genutzt, um alle möglichen Gegenstände effizient zu transportieren.

Regen Sie die Schülerinnen und Schüler dazu an, ihre Ideen auszutauschen.

Bitten Sie sie, über folgende Fragen nachzudenken:

• Was ist eine industrielle Förderanlage und wo wird sie verwendet?
• Welche Art von motorisiertem Mechanismus kann verwendet werden, um eine Kugel zu transportieren?
• Wie kann das Robotersystem die Kugel bewegen, ohne die Kontrolle über die Kugel zu verlieren?
• Welche Rolle spielt der Sensor dabei? Wie lässt sich messen, wie gut das Robotersystem funktioniert?

Ermutigen Sie die Teams dazu, ihre ersten Ideen zu dokumentieren und zu begründen, warum sie diese oder jene Lösung für den ersten Prototyp ausgewählt haben. Fragen Sie, wie man die ausgewählten Ideen im weiteren Verlauf des Projekts beurteilen könnte. Wenn die Teams später ihre Arbeit überprüfen und überarbeiten, haben sie so bereits genaue Anhaltspunkte, die sie zum Beurteilen ihrer Lösung heranziehen können. Darauf aufbauend können sie entscheiden, ob die Lösung ihren Zweck erfüllt oder nicht.

Erweiterung: sprachliche Ausdrucksfähigkeit

Um die sprachliche Ausdrucksfähigkeit zu fördern, können Sie die Schülerinnen und Schüler Folgendes tun lassen:

Option 1

• Mithilfe von schriftlichen Aufzeichnungen und/oder Fotos den Konstruktionsprozess zusammenfassen und einen Abschlussbericht erstellen
• Ein Video erstellen, das den Konstruktionsprozess zeigt – von den ersten Ideen bis zum fertigen Projekt
• Eine Präsentation über ihr Programm erarbeiten
• Eine Präsentation erarbeiten, in der sie eine Verbindung zwischen ihrem Projekt und Anwendungen ähnlicher Systeme aus dem Alltag herstellen sowie neue Erfindungen beschreiben, die man auf Grundlage ihrer Arbeit entwickeln könnte

Option 2
Für diese Aufgabe haben die Teams ein System gebaut, das einen Ball einen bestimmten Pfad entlang bewegen kann, wie man es auch in modernen Fertigungsanlagen findet.

• Überlegen, ob sich moderne Fertigungsbetriebe über die Internetsicherheit oder Sicherheit von internen Daten Gedanken machen müssen, und einen Aufsatz über moderne Fertigungsanlagen und die Verwendung von Cloud-Daten schreiben
• Die Anwendung von Förderbändern in Kommissionieranlagen beschreiben, die für den Online-Handel eingesetzt werden
• Die Vor- und Nachteile diskutieren, die das Speichern der Bestelldaten von Kunden in der Cloud mit sich bringt

Erweiterung: Mathematik

Für diese Aufgabe haben die Teams ein System gebaut, das einen Ball einen bestimmten Pfad entlang bewegen kann, wie man es auch in modernen Fertigungsanlagen findet. Viele moderne Fertigungsanlagen nutzen die Automatisierung für die Produktion und Qualitätssicherung. Eine Art der künstlichen Intelligenz – das maschinelle Lernen – kann hier eingesetzt werden, um Leistungsdaten zu analysieren und neue Verfahren zu bestimmen, um die Leistung und Effizienz insgesamt zu verbessern. Fertigungsingenieure nutzen dafür umfangreiche Datensätze, die die Leistung und die Effizienz eines Systems beschreiben. Spezielle Algorithmen für das maschinelle Lernen analysieren dann diese Datensätze und unterstützen so die Entscheidung, wie die Leistung und Effizienz verbessert werden könnten.

Um mathematische Fähigkeiten zu fördern und weitere Themenbereiche aus der industriellen Fertigung (z. B. Qualitätssicherung und maschinelles Lernen) zu erkunden, können Sie die Schülerinnen und Schüler Folgendes tun lassen:

• Die Konstruktionen durch Hardware und Software erweitern, um die Leistung messen zu können, und Möglichkeiten finden, wie man die Leistung der Maschinen quantitativ darstellen kann

• Vor dem Hintergrund, dass bei der Qualitätssicherung und Leistungsanalyse Maschinen und Menschen gleichermaßen einschätzen müssen, was „gut genug“ ist, quantitative Darstellungsformen dafür entwickeln, was bei ihren Konstruktionen „gut genug“ ist

• Vor dem Hintergrund, dass maschinelles Lernen das ideale Tool ist, um große Datensätze zu analysieren und komplexe Beziehungen zwischen Maschinendaten (d. h. welche Schritte sie ausgeführt hat) und der Leistung zu finden, möglichst viele Variablen aus ihrem System auflisten, die sich möglicherweise auf die Leistung und Effizienz auswirken

Anregungen zum Bauen
Geben Sie den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, verschiedene Beispiele (siehe Links unten) zu bauen. Regen Sie sie dazu an, selbst zu erforschen, wie diese Systeme funktionieren. Anschließend sollen sie Ideen dazu sammeln, wie man diese Systeme zum Lösen der Konstruktionsaufgabe nutzen könnte.

• Kugelablage 1
• Halterung
• Farbsensor 2
• Greifer
• Rampe
• Wippe
• Ketten
• Drehscheibe

Tipps zum Testen der Lösung
Ermutigen Sie die Teams dazu, ein eigenes Testverfahren zu entwerfen, um die beste Lösung zu bestimmen. Diese Tipps können ihnen dabei helfen:

• Testtabellen zum Aufzeichnen der Beobachtungen vorbereiten
• Präzision des Robotersystems auswerten, indem die erwarteten Ergebnisse mit den tatsächlichen Ergebnissen verglichen werden
• Test mindestens dreimal wiederholen

Beispiellösung
Hier ist eine Beispiellösung, die alle Kriterien der Konstruktionsaufgabe erfüllt:

Beispielprogramm mit EV3 MicroPython

#!/usr/bin/env pybricks-micropython

from pybricks import ev3brick as brick
from pybricks.ev3devices import Motor, TouchSensor, ColorSensor
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, SoundFile
from pybricks.tools import wait
from random import randint

# Configure the belt motor, which drives the conveyor belt.  Set the
# motor direction to counterclockwise, so that positive speed values
# make the conveyor move upward.
belt_motor = Motor(Port.A, Direction.COUNTERCLOCKWISE)

# Configure the "catch" motor with default settings.  This motor moves
# the ball to either cup.
catch_motor = Motor(Port.D)

# Set up the Color Sensor.  It is used in Reflected Light Intensity
# Mode to detect when the ball is placed at the bottom of the conveyor
# belt.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when the ball reaches
# the catch at the end of the ramp.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

# Initialize the conveyor belt.  This is done by slowly running the
# motor backward until it stalls.  This means that it cannot move any
# further.  Then it resets the angle to "0."  This means that when it
# rotates backward to "0" later on, it returns to this starting
# position.
belt_motor.run_until_stalled(-300, Stop.BRAKE, 30)
belt_motor.reset_angle(0)

# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it waits until the ball is placed on the conveyor belt.
# Second, the ball is moved upward until it reaches the ramp where it
# rolls down to the catch.
# Finally, the ball is moved to the left or the right cup, or an error
# sound is made, chosen at random.
#
# Then the process starts over.  The ball can be placed at the
# beginning of the conveyor belt again.
while True:

    # Wait until the ball is placed in front of the Color Sensor.
    while color_sensor.reflection() < 5:
        wait(10)
    wait(500)
    
    # Move the ball up on the conveyor belt.
    belt_motor.run_target(250, 450, Stop.COAST, False)

    # Wait until the ball hits the Touch Sensor at the catch at the end
    # of the ramp.
    while not touch_sensor.pressed():
        wait(10)
    
    # Generate a random integer between "-1" and "1" to determine what
    # to do with the ball.
    catch_command = randint(-1, 1)

    # If it generates a "1," change the light to green and move the
    # ball to the right cup.
    if catch_command == 1:
        brick.light(Color.GREEN)
        catch_motor.run_target(400, -20)
        wait(1000)
        catch_motor.run_target(400, 0, Stop.HOLD)
    # If it generates a "0," change the light to orange and move the
    # ball to the left cup.
    elif catch_command == 0:
        brick.light(Color.ORANGE)
        catch_motor.run_target(400, 20)
        wait(1000)
        catch_motor.run_target(400, 0, Stop.HOLD)
    # Otherwise, change the light to red and play an error sound.
    else:
        brick.light(Color.RED)
        brick.sound.file(SoundFile.RATCHET)
        wait(1000)
    
    # Return the conveyor belt to its starting position.
    belt_motor.run_target(250, 0)

Schülerinnen und Schüler, die sich für diese Aufgabe begeistern, könnten sich auch für folgende Berufszweige interessieren:

• Fertigungstechnik und Maschinenbau (Maschinenbau)
• Naturwissenschaften, Technik, Maschinenbau & Mathematik (Maschinenbau und Technik)

Checkliste für Beobachtungen
Erstellen Sie eine geeignete Bewertungsskala, wie zum Beispiel:

1. Erwartungen zum Teil erfüllt
2. Erwartungen vollständig erfüllt
3. Erwartungen übertroffen

Nutzen Sie die folgenden Kriterien, um den Lernfortschritt der Schülerinnen und Schüler zu beurteilen:

• Sie können konkurrierende Lösungen auf Grundlage von priorisierten Kriterien beurteilen. Dabei denken sie auch über Kompromisse nach, die sie eingehen müssen.
• Sie können selbstständig eine kreative Lösung finden und entwickeln.
• Sie können ihre Ideen klar und deutlich kommunizieren.

Selbsteinschätzung
Wenn die Teams einige Leistungsdaten zusammengetragen haben, geben Sie ihnen Zeit, um über ihre Lösungen nachzudenken. Geben Sie Impulse durch Fragen wie:

• Erfüllt die Lösung die Kriterien aus der Konstruktionsaufgabe?
• Könnte man die Bewegung(en) des Robotersystems noch präziser gestalten?
• Wie haben andere Teams die Aufgabe gelöst?

Bitten Sie die Teams, Ideen dazu zu sammeln, wie sie ihre Lösungen verbessern könnten. Anschließend sollen sie zwei Verbesserungsmöglichkeiten dokumentieren.

Gegenseitiges Feedback
Regen Sie eine Art „Peer-Review“ an, bei der jedes Team das eigene Projekt und die Projekte der anderen Teams beurteilen soll. Dieser Beurteilungsprozess hilft den Schülerinnen und Schülern dabei, ihre Fähigkeit zu konstruktiver Kritik zu entwickeln. Außerdem lernen sie dabei, auf Grundlage objektiver Daten zu argumentieren und zu urteilen.