Einen autonomen Forschungsroboter 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.

Ferngesteuerte Fahrzeuge für wissenschaftliche Untersuchungen müssen alle die gleiche Funktion erfüllen: Sie müssen Informationen sammeln und diese an eine Forschungsstation senden. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Kommunikationssysteme erfunden, um diese Aufgabe unter bestimmten Anforderungen und Einschränkungen zu erfüllen.

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

Bitten Sie sie, über folgende Fragen nachzudenken:

• Was sind Forschungsroboter und wo werden sie eingesetzt?
• Welche Art von motorisiertem Mechanismus kann verwendet werden, um die Bewegungen eines Roboters zu steuern?
• Wie kann ein Roboter unterwegs Daten sammeln?
• Wie kann ein Roboter mit einer Forschungsstation kommunizieren?

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

Option 1
Um die sprachliche Ausdrucksfähigkeit zu fördern, können Sie die Schülerinnen und Schüler Folgendes tun lassen:

• 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 einen autonomen Forschungsroboter entwickelt, der seine Position melden kann.
Um die sprachliche Ausdrucksfähigkeit zu fördern, können Sie die Schülerinnen und Schüler Folgendes tun lassen:

• Überlegen, warum es für einen autonomen Forschungsroboter an einem abgelegenen Ort auf der Erde wichtig ist, Positionsdaten übertragen zu können
• Dieses Szenario beschreiben und in einem informativen Aufsatz die Risiken beurteilen, die beim Übertragen dieser Datensätze entstehen, sowie Übertragungsmethoden untersuchen, die diese Risiken reduzieren könnten
• Die externen Faktoren diskutieren, die diese Risiken erhöhen könnten
• Möglichkeiten finden, um diese externen Einflüsse zu reduzieren, und mit Daten und Tabellen untermauern
• Auf Grundlage der vorgelegten Fakten ein Fazit zum allgemeinen Risiko der Situation ziehen

Erweiterung: Mathematik

Für diese Aufgabe haben die Teams einen autonomen Forschungsroboter entwickelt, der unterwegs seine Position melden kann. Autonome Systeme können Algorithmen des maschinellen Lernens nutzen, um ihre Koordinaten zu übertragen bzw. ihren Standort im Verhältnis zu bestimmten Orientierungspunkten zu melden sowie die Ankunftszeit oder die Wahrscheinlichkeit zu schätzen, dass eine Aufgabe basierend auf der aktuellen Position und des Akkuladezustand erfolgreich abgeschlossen werden kann
Um mathematische Fähigkeiten zu fördern und eine Art des maschinellen Lernens zu erforschen, bei der Beziehungen analysiert werden, können Sie die Schülerinnen und Schüler Folgendes tun lassen:

• Die lineare Regression prüfen; zu diesem Zweck Daten erfassen und eine Regressionsfunktion erstellen, die die Positionsdaten des Roboters und die geschätzte Ankunftszeit am Ziel zueinander in Beziehung setzt
• Eine Regressionsfunktion in die Programme integrieren, damit die autonomen Forschungsroboter ihre Position und geschätzte Ankunftszeit melden können

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.

Großer Motor mit Rad
Ketten
Farbsensor 1
Farbsensor 2
Gyrosensor
Berührungssensor
Ultraschallsensor

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 die wichtigsten Elemente eines Problems bestimmen.
• 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 Roboters 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.

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

• Wirtschaft und Finanzen (Unternehmen)
• Fertigungstechnik und Maschinenbau (Planungsbüros)