I³ - Innovative Informatik im MINT-Unterricht

Die Interessengruppe " I³ - Innovative Informatik" wird sich vorrangig mit dem Einsatz von modernen, zukunftsorientierten Methoden für den MINT-Unterricht in der Schule beschäftigen. Die Arbeit der Gruppe wird wissenschaftlich durch den Lehrstuhl für Softwaretechnik des Instituts für Informatik der Universität Jena, Herrn Prof. Dr. Rossak und Mitarbeiter begleitet.

Außerdem baut die Arbeit auf den zu vermittelnden Grunderfahrungen des Informatikunterrichts auf und wird dabei durch die Abteilung für Didaktik des Instituts für Informatik der Universität Jena, Herrn Prof. Dr. Fothe unterstützt.

Inhalte der Arbeit

Wesentlich ist die Ausdehnung informatischer Inhalte auf die MINT-Fächer. Dabei sollen Schnittstellen zu verschiedensten Lehrplaninhalten gebildet und aufgezeigt werden.

Vorhaben dieser Arbeitsgruppe sind:

• die Fortbildung von Lehrern,
• das Sondieren von Möglichkeiten des Einsatzes modernster Technik im Unterricht,
• die Erprobung von Lehr- und Lernmitteln,
• das Entwickeln von Unterrichtskonzepten und Implementierungen in die Lehrpläne und
• die Produktion von Lernobjekten für die Mediothek des Thüringer Schulportals sowie von Publikationen.

Arbeitsgebiet 1:

Untersuchung von  Möglichkeiten des Einsatzes von Robotern im Unterricht der allgemeinbildenden Schule.
Roboter bzw. das Thema Robotik wird bereits in vielen Bereichen als Instrument zur Motivation von Schülern und Studenten für den MINT-Bereich eingesetzt, leistet aber einiges mehr. Beispielsweise ist es mit diesen hochkomplexen Systemen möglich auch schon jüngeren Schülern den Zusammenhang von Software und Hardware näher zu bringen. Vom einfachen Programmieren bis hin zum hoch anspruchsvollen Programmieren von technischen Systemen, welche auch reale Aufgaben ausführen können,  können Roboter in verschiedenen Niveaustufen in Schule und Bildung eingesetzt werden. Auch weniger begabte Schüler können somit durchaus Zugang  zu modernen Berufsfeldern finden und für das Lernen motiviert werden.

Informatik bekommt im technischen Alltag einen immer höheren Stellenwert. Fast kein technisches Produkt kommt heutzutage ohne Computertechnologie aus. Wo früher technische Komponenten elektro-mechanisch gesteuert und geregelt wurden, erfolgt dieses heute durch digitale Schaltungen und Mikrocontroller. Das Beschäftigen mit Robotertechnologie kann neben der Vermittlung von Sachthemen wie z. B. Programmieren, Robotik, Steuer- und Regeltechnik auch Kreativität, Problemlösungsfähigkeiten sowie die Ausbildung von Kooperations- und Teamkompetenzen fördern und ist somit die optimale Plattform, um Inhalte der MINT-Fächer in allen Altersklassen zu vermitteln.

Ziele des Einsatzes von Robotern im Unterricht könnten sein:

• Begeisterung für MINT nutzen und wecken
• mit innovativer Technologie in Berührung kommen
• Problemlösestrategien entwickeln
• Grundlagen für ein fächerverbindendes informatorisch-technisches Denken legen
• Verständnis für technische Strukturen und Abläufe ermöglichen
• naturwissenschaftlich besonders interessierte und begabte Schüler fördern
• Unterricht in den MINT-Fächern in Thüringen weiter entwickeln

Beteiligte Unterrichtsfächer:

• alle MINT-Fächer, insbesondere auch NWuT und NuT
• im Speziellen natürlich der Bereich Informatik
• Einbeziehung von gesellschaftswissenschaftlichen Fächern zu Fragestellungen wie z. B. "Mensch und Technik"
• Sprachen (z. B. bilingualer Unterricht)

Arbeitsgebiet 2:

Ein hoch brisantes Thema der letzten Jahre ist der Einsatz sogenannter Multicopter (z. B. Quadrocopter, Hexacopter). Es handelt sich dabei nicht einfach nur um Modellhubschrauber sondern inzwischen um hochkomplexe informatische Systeme, die Aufgaben im Servicebereich des Menschen erfüllen und in Zukunft erfüllen sollen. Die unterschiedlichsten Einsatzmöglichkeiten solcher Fluggeräte z. B. im Bereich Fotografie, Transport oder Funktechnik bieten für Unterricht excellente Schnittstellen der Informatik zu anderen Fächern.

Ein mit autonomer GPS-Steuerung ausgerüsteter Quadrocopter kann beispielweise (ähnlich einer Brieftaube) selbstständig Ziele anfliegen und Informationen oder gar kleinere Pakete überbringen. Quadrocopter werden immer häufiger von Fotografen eingesetzt um z. B. Bildmaterial aus Blickwinkeln zu erzeugen, die bisher gar nicht oder nur sehr schwer zugänglich waren.

Die Themenvielfalt ist groß und reicht von den technisch-naturwissenschaftlichen Aspekten bis hin zu ethischen und datenschutzrechtlichen Problemen. Ähnlich wie im Arbeitsgebiet 1 sollen durch die Gruppe Konzepte entwickelt werden, wie das Thema im Unterricht der MINT-Fächer eingesetzt werden kann.

Fortbildungsangebote in Zusammenarbeit mit der Universität Jena

1. Programmieren von Quadrocoptern (Dipl.-Inf. Steffen Späthe)

Im Rahmen des eintägigen Workshops sollen verschiedene Aspekte der Steuerung und Programmierung sowie Anwendungsmöglichkeiten von Quadrocoptern diskutiert und möglichst praktisch erprobt werden. Ausgehend von theoretischen Überlegungen zur Flugmechanik der Quadrocopter über einfache Steuerungsansätze sowie die vorhandene Sensorik und Aktorik soll schlussendlich eine einfache, selbst implementierte Steuerung der Quadrocopter erarbeitet werden. Dabei soll aber natürlich auch der Spaß am "selber fliegen" nicht zu kurz kommen. Für den programmierpraktischen Teil sind Kenntnisse in der Programmiersprache C hilfreich. Als Experimentierplattform werden die Quadrocopter CrazyFlie dienen.

2. Tinkerforge - Elektronik-Baukastensystem, um schnell Ideen zu realisieren (Dr.-Ing. Volkmar Schau)

Sie haben Lust auf Experimente mit dem Computer und Elektronik, aber Bedenken beim Löten und Ansteuern selbst gebauter Hardware?
Tingerforge ist ein Elektronik-Baukastensystem für einen günstigen und einfacher Einstieg in die Welt der Sensoren und Aktoren. Es wirkt wie eine Mischung aus Lego-Mindstorm und Hardwarestecksystem. Mit kleinen Elektronikbausteinen lassen sich beliebige Geräte bauen und erweitern, vom Roboter bis zur Heimautomation. Die komplette Hardware und Software ist Open Source (Quelle: Golem).
Zentrale Elemente des TinkerForge-Systems sind die vorprogrammierten Master-Bricks mit USB-Anschluss. Eine Master-Brick bringt zusätzlich vier Anschlüsse für spezielle Erweiterungen mit, die sogenannten Bricklets. Darunter finden sich etwa A/D- und D/A-Wandler sowie Temperatur-, Licht- und Abstandssensoren. Außerdem lassen sich Potentiometer, Joysticks, LC-Displays und allgemein verwendbare Ein- und Ausgabeerweiterungen anschließen. Der Clou dabei: Die Firmware der Bricks registriert automatisch, welche Erweiterungen angeschlossen sind, und reicht die Daten an den PC weiter. Tinkerforge bietet zum kostenlosen Download die PC-Software "Brick Viewer" an. Sie enthält für jede Erweiterung ein bereits fertiges Applet zur Anzeige von Daten oder zur Steuerung der jeweiligen Funktionen. Im Betrieb werden nur diejenigen Applets angeboten, für die auch Erweiterungen am Brick angeschlossen sind (Quelle: Heise).

In kleinen Projekten entstehen Schritt-für-Schritt aus einem einfachen Modul komplexere Stecksysteme. Wie Lego stecken, steuern und programmieren Sie bspw. ein (Heim-)Automationssystem. mehr

3. Programmierung von Apps (Prof. Dr. habil Wolfram Amme, Dr. Thomas Heinze, Thomas Prinz )

Während des zweitägigen Workshops soll den Teilnehmer/-innen gezeigt werden, wie App-Anwendungen unter Android erstellt werden können. Die Aneignung der verschiedenen Techniken soll in Form von Vorträgen und in gemeinsamen Projektarbeiten durchgeführt werden. In den Projektarbeiten wird den Teilnehmer/-innen zum einen gezeigt, wie unter Verwendung von Entwicklungsumgebungen Android-Apps nach dem Baukastenprinzip erstellt werden und anschließend auf das Smartphone gebracht werden können.
In weiteren Arbeiten erlernen die Teilnehmer/-innen grundlegende Techniken im Umgang mit dem Android SDK. Um sich diese anzueignen soll eine reale Anwendung (Terminkalender oder ein einfaches Spiel) implementiert werden.

4. Programmierung von Spielen (Dipl.-Inf. Sebastian Apel)

MMO Browsergame Entwicklung - Von der Spielidee bis zu einem ersten Prototypen:
Spielentwicklung mithilfe der GameEngine für modellgetriebene Ansätze verdeutlicht objektorientiertes Programmieren an einem konkreten Beispiel und vereinfacht den Einstieg in ein komplexes Arbeitsfeld. Die GameEngine kapselt Kommunikation, Datenverarbeitung, sowie Infrastruktur und ermöglicht damit eine interessante Spielentwicklung mit wenigen Grundkenntnissen in einer verteilten Umgebung. Voraussetzung sind Kenntnisse im Programmieren mit Java, sowie optional Erfahrungen mit CSS, JavaScript und HTML.