Dr. Jens Winkel
28.05.2003

Gedankenstürme - LEGO-Mindstorms im Unterricht

Man könnte auf die Idee kommen, dass es sich bei LEGO-Mindstorms um ein Spielzeug handelt. Ganz von der Hand zu weisen ist das auch nicht, geht es doch um einen ganz besonderen LEGO-Baustein, der die Herzen von Kindern, Jugendlichen und Vätern gleichermaßen höher schlagen lässt.
 

Doch gibt es mit dem vermeintlichen Kinderspielzeug eine ganze Menge mehr zu entdecken: Der LEGO-Computer eignet sich sehr gut als Einstieg für die objektorientierte Programmierung in der Schule. Dieser Artikel informiert über die Einsatzmöglichkeiten von LEGO-Mindstorms im Unterricht und gibt Erfahrungen aus der Unterrichtpraxis wieder. Der Fokus wird dabei vorrangig auf die didaktische Konzeption und deren praktische Umsetzung gelegt. Neben den allgemeinen Gedanken zum Einsatz von LEGO-Mindstorms im Informatikunterricht werden aber auch kostenfreie Tools vorgestellt, die nach unserem Empfinden eine komfortablere Ansteuerung von Motoren und Sensoren ermöglicht als die offizielle LEGO-Software.

Das Prinzip der LEGO-Roboter

Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) wurden in Kooperation mit Lego von Seymour A. Pappert die Mindstorms Roboter entwickelt. Das Herz (und das Hirn) dieser Roboter bildet der programmierbare RCX-Baustein ("Robotics Command System"), ein in einem Lego-Baustein eingebetteter Mini-Computer. Der Prozessor kann durch entsprechende Software am PC programmiert und das Programm durch eine Infrarot-Schnittstelle an den Baustein übermittelt werden. An den Baustein können Sensoren und Motoren angeschlossen werden, die es ermöglichen, einen beweglichen, selbstgesteuerten Roboter zu entwerfen. Ergebnisse oder Fehler bei der Programmierung des Roboters werden durch den einfachen, praktischen Test sofort sichtbar.

Kostenfreie Tools aus Paderborn

Vereinfachte Roboterbedienung
Es ist normalerweise schwierig, mit einfachen Mitteln die Programmierung eines Roboters zu ermöglichen, besonders wenn der Roboter in der Lage sein soll, komplexe Probleme zu lösen. Deshalb entwickelt und erprobt die AG Didaktik der Informatik an der Universität Paderborn (DDI) Werkzeuge, die die Bedienung der Roboter vereinfachen. Tim Rinkens entwickelte hier zwei Programme (RCXDirectMode und RCXDownload) für den Einsatz der LEGO-Roboter in der gymnasialen Oberstufe, die den Umgang mit der Java-Runtime IeJOS für den LEGO-Mindstorms-RCX erleichtern. Eine Beschäftigung mit Befehlszeilen zur Kommunikation mit dem RCX wird durch die Programme von Tim Rinkens vermieden. RCXDirectMode und RCXDownload sind frei verfügbar und kostenlos erhältlich.

  • RCXDirectMode
    erleichtert die direkte Ansteuerung des RCX-Bausteins. Per Mausklick können Motoren gestartet, deren Geschwindigkeit geregelt und Sensoren abgefragt werden. Die komplexe Kommunikation mit dem RCX wird dabei verdeckt.
  • RCXDownload
    übernimmt das Setzen von JDK-, leJOS- und Klassenpfaden, compiliert den gewählten Java-Quellcode, zeigt die Compiliermeldungen an und führt das Linken und Hochladen der compilierten Klassen sowie der leJOS-Firmware aus.

Internetadresse

Gedanken zum entdeckenden und forschenden Lernen

Die Planungen zum Unterricht mit LEGO Mindstorms beziehen sich auf den Informatikunterricht der Sekundarstufe I und II. In vielen Bundesländern wird in den Lehrplänen das Thema "Messen, Steuern, Regeln" empfohlen, es bestehen insofern direkte Bezüge zur unterrichtlichen Auseinandersetzung mit Computern. Eingebettet wurde die Nutzung der Roboter in eine handlungs- und problemorientierte Unterrichtseinheit, in der das "Lernen mit allen Sinnen" praktiziert und eine positive emotionale Bindung an den Lerngegenstand gefördert wird. Im Informatikunterricht mit Mindstorms besteht die Verzahnung von Theorie und Praxis auf besondere Weise: Einen Roboter kann man in die Hand nehmen und seine Fähigkeiten bereits erahnen, wenn man ihn "morphologisch" untersucht: Ein Roboter mit "Füßen" oder Rädern kann sich potenziell fortbewegen. Ein Roboter mit Tastsensoren kann registrieren, wenn er an ein Hindernis stößt. Es existiert somit eine problemhaltige Ausgangssituation und damit ein guter Einstieg für genetisches, entdeckendes oder forschendes Lernen.

Innovativer Ansatz durch Examedia-Preis bestätigt

Es sei angemerkt, dass für die Durchführung der geschilderten Unterrichtseinheit Kenntnisse im Bereich der Java-Programmierung, eine Auseinandersetzung mit den geschilderten Tools sowie Erfahrungen bei der Konstruktion der Lego-Mindstorms-Robotern von Vorteil sind. Sind diese Kenntnisse vorhanden, so ist der Informatikunterricht mit LEGO Mindstorms handlungsorientiert, spannend und niveauvoll. Dass das Engagement der Arbeitsgruppe DDI der Uni Paderborn innovative Anregungen für den Unterricht produziert, wurde durch die Auszeichnung der Staatsexamensarbeit von Herrn Rinkens mit dem ersten Preis im Rahmen des Examedia-Wettbewerbs im Februar 2003 in Dortmund bestätigt.

Zusatzinformationen

Informationen zum Autor

Dr. Jens Winkel ist stellvertretender Geschäftsführer des Paderborner Lehrerausbildungszentrums und im Rahmen seiner Tätigkeiten zuständig für die Praktikumsleitung sowie neue Medien im Lehramtsstudium.

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