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V Humanoide Roboter als Werkzeug in:

Jürgen Handke

Humanoide Roboter, page 141 - 182

Showcase, Partner und Werkzeug

1. Edition 2020, ISBN print: 978-3-8288-4250-2, ISBN online: 978-3-8288-7135-9, https://doi.org/10.5771/9783828871359-141

Tectum, Baden-Baden
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141 V Humanoide Roboter als Werkzeug Ultimately, the key question will be „are the teachers of today ready to develop the leaders we will need tomorrow?“ A difficult question, to be sure, and the answer today is no. Allen. J.R. 2019 [INT4] Seit den 1970er Jahren bauen und programmieren Lerner Roboter, um durch aktive Erfahrung ein Verständnis der technischen Konzepte in einer modernen Welt zu entwickeln. Die Roboter sind also Werkzeuge bzw. Lernmittel, und die Lerner arbeiten an ihnen, um die gewünschten Lernergebnisse zu erreichen. Dieser Ansatz hat seinen Ursprung im Konstruktivismus. Roboter werden dabei eingesetzt, um die Lerner zum Entwerfen, Bauen und Programmieren einzuladen und dabei ihre Ansichten, ihr Wissen und ihre Fähigkeiten zu allem, was sich aus der Tätigkeit des Entwerfens ergibt, zu verändern. Es handelt sich um einen Learning-by-Doing-Ansatz, der sich soweit wie möglich vom traditionellen Unterricht entfernt. Nicht nur durch Übungen, sondern dadurch, dass man ein Problem aktiv und vorzugsweise in einer Gruppe anpackt und durch mehrere Iterationen zu einer Lösung kommt, indem man lernt, wie man vorankommt. Ein Unterrichtsszenario mit der entsprechenden Ausstattung nennt man daher „Maker-Space“ (dt. in etwa „offene Werkstatt“). In derartigen Räumen werden Lerner in die Lage versetzt, ihre eigenen Problemlösungsstrategien zu analysieren und in möglichst detaillierte Handlungsvorschriften oder Algorithmen zu überführen. V.1 Algorithmisches Denken Wird ein Mensch vor ein Handlungsproblem gestellt, macht er sich in der Regel nur wenige Gedanken über die dazu notwendige Problemlösung. Er führt die Handlung ohne große Reflektion über die Teilschritte, die zur Lösung des Problems beschritten werden müssen, aus. Folgendes Problem soll diese Herangehensweise illustrieren: Stellen Sie sich vor, Sie stehen vor einer verschlossenen Tür und wollen in den Raum hinter der Tür gelangen. Was ist zu tun? Die meisten Menschen würden hier ungefähr so antworten: Ich drücke die Klinke nach unten, schiebe die Tür einen Spalt auf und gehe hindurch. Ein solcher Algorithmus löst zwar das Problem, geht aber nicht auf mögliche Einzelheiten ein. Er definiert weder Anfangs- noch Endpunkt der Handlung, er enthält keine Distanz- oder Winkelangaben, er ist eher eine stark vereinfachte Beschreibung des Vorganges.26 Für einen Roboter wäre dieser Algorithmus wenig hilfreich. Ohne genaue Distanz-, Höhen- und Winkelangaben, dazu noch ohne präzise Angaben zur Betätigung der Türklinke und der Größe des notwendigen Türspaltes wäre kein Roboter in der Lage das Problem „Tür Öffnen“ auch nur ansatzweise zu lösen. Erst eine sehr in die Details gehende Handlungsvorschrift, die jeden Schritt zusätzlich exakt spezifiziert (und die durchaus auch noch detaillierter sein kann), ermöglicht es z. B. einem Pepper-Roboter, das Problem zu bewältigen: 26 Siehe dazu auch Abschnitt V.6.4.1. 142 Humanoide Roboter als Werkzeug Voraussetzungen Koordinaten der Ausgangsposition festlegen: 1 m vor der Tür, Blickrichtung Tür, Parameter für die Kollisionserkennung festlegen Schritt 1 – Annäherung Bewege Dich 40 cm in Richtung Tür, bis Deine rechte Schulter 60 cm Abstand zur Klinke hat. Schritt 2 – Klinke erfassen Hebe Deinen rechten Arm auf 110 cm Höhe. Schritt 3 – Klinke betätigen Öffne Deine rechte Hand, bewege Dich 10 cm nach vorn und schließe Deine rechte Hand. Dreh Deine Hand um 30 Grad nach links und drücke den Arm um 20 cm nach unten. Schritt 4 – Tür öffnen Fahre 20 cm nach vorn. Öffne dabei Deine rechte Hand, sodass die Tür von allein aufgeht. Schritt 5 – Durch Spalt bewegen Fahre durch den entstandenen Türspalt. Ziel Halte in der vordefinierten Endposition. Grundlage des Maker-Space-Konzepts ist es daher, anhand verschiedener Probleme die Lerner in die Lage zu versetzen, komplexe Probleme in Teilschritte zu zerlegen und diese in entsprechende Algorithmen zu überführen. 143 Algorithmisches Denken V.2 Einfache Maker-Spaces Die Ausbildung in der Computerprogrammierung konzentriert sich seit vielen Jahren auf die Vermittlung dieser Art von computergestütztem Denken, eben auf die genannte systematische Aufteilung und Lösung von Problemen durch eine Reihe von Schritten und Prozessen, die von einem Computer ausgeführt werden könnten. Zu den dazu notwendigen Schlüsselkonzepten gehören Zerlegung, Abstraktion und Mustererkennung, Daten und algorithmische Prozesse (unter Verwendung von Sequenzierung, Iteration, symbolischer Darstellung und logischen Operationen). Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang aber auch, dass das Lehren von algorithmischem Denken nicht unbedingt das Programmieren am Computer erfordert, sondern auch mit ‚analogen‘ Gegenständen funktionieren kann: Die CSUnplugged-Initiative (CSU = Computer Science Unplugged)27 verwendet z. B. fesselnde Spiele und Puzzles, Karten, Schnüre, Buntstifte und viel ‚Lauferei‘ bei der Kooperation der Teilnehmer, um Konzepte der Informatik zu lehren (siehe Abb. V.1). In der heutigen Welt dominieren allerdings seit einiger Zeit die digitalen Maker-Spaces, also die offenen Werkstätten, in denen Computer im Zentrum stehen. Einige Programmiersprachen, wie z. B. Logo, wurden genau dazu entwickelt, um die Computerausbildung vor diesem Hintergrund zu fördern. Andere Sprachen, wie Java oder Python, wurden speziell in der Sekundar- und Universitätsausbildung eingeführt, um computergestütztes Denken und, darauf aufbauend, Programmieren zu lehren. In jüngster Zeit haben Roboter die Palette der Möglichkeiten in Maker-Spaces um ein Vielfaches erweitert. 27 https://csunplugged.org/en/ 144 Humanoide Roboter als Werkzeug Abb. V.1: Ein einfacher Maker-Space an der TU Graz (Österreich) V.3 Maker-Spaces mit Robotern Die Idee, Roboter als Lernmittel in Maker-Space-Konzepten einzusetzen, entstand in den frühen Jahren der Computerprogrammierung. Roboter wurden damals zumeist als Erweiterung der Programmierung am Computer eingesetzt, mit dem Ziel, die Ausgabe von Programmen ‚greifbar‘, d. h. über entsprechende Roboter-Aktionen sichtbar zu machen. Schon frühzeitig wurde das Potenzial von Robotern für eine breitere Palette von Themen deutlich, insbesondere, um Lerner für die vier MINT-Fächer (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik) zu begeistern.28 In jüngster Zeit wurden auch geisteswissenschaftliche Themen und Themen aus der Kunst (engl. arts) miteinbe- 28 Im Englischen lautet die in der Robotik oft verwendete entsprechende Abkürzung STEM (Science, Technology, Engineering, Maths). 145 Maker-Spaces mit Robotern zogen, sodass heute nahezu das gesamte Fächerspektrum Roboter als ideales Werkzeug für ihre Belange einsetzt.29 Auch die Zielgruppen haben sich mittlerweile erheblich erweitert, denn inzwischen wird das gesamte Altersspektrum der formalen Bildung abgedeckt: angefangen in der Vorschule, ab dem Alter von drei oder vier Jahren, mit einfachen Robotern, die so programmiert werden können, dass sie eine Reihe von Bewegungen ausführen, bis hin zur Universitätsausbildung, wo Roboter verwendet werden, um fortgeschrittene fachspezifische Konzepte anzuwenden und zu vertiefen. Ein weiterer Grund für die Einbeziehung von Robotern in Maker- Space-Konzepte besteht, wie auch bei den übrigen in diesem Buch beschriebenen Anwendungen darin, dass von Robotern angenommen wird, dass sie die perfekte Verbindung zwischen Vergnügen und Lernen sind. Viele Studien haben diese motivierenden Aspekte mittlerweile bestätigt, sodass Roboter auch als Mittel zur Erweiterung der Teilnahme, zur Erhöhung der Vielfalt und zur Gewinnung eines breiteren Publikums für MINT-Fächer in der Bildung in Frage kommen. Und noch ein weiterer Aspekt scheint sich abzuzeichnen. Es ist bekannt, dass in MINT-Fächern ein sehr ausgeprägtes Ungleichgewicht zwischen den Geschlechtern besteht und sich trotz einer nahezu gleichen Eignung in jungen Jahren während der Schulzeit eine deutliche Verschiebung zu Ungunsten der Mädchen abzeichnet. Es gibt zwar keine Belege für Initiativen, die diese Diskrepanz erfolgreich aufgehoben haben, aber es scheint sich abzuzeichnen, dass das Ungleichgewicht zwischen den Geschlechtern beim Programmieren von Robotern weniger gravierend ist als bei traditionellen Programmierumgebungen. Die ersten Erfahrungen im Projekt RoboPraX bestätigen jedenfalls diese Annahme (siehe Abschnitt V.7). Eine interessante Entwicklung im Zusammenhang mit der Computer- und Roboterprogrammierung ist die Einführung von Metho- 29 Im Englischen spricht man folgerichtig von den STEAM-subjects (A = arts). 146 Humanoide Roboter als Werkzeug den der visuellen Programmierung in der Bildung, die die Computerprogrammierung und somit die Umsetzung der Maker-Space-Idee gerade auch für jüngere Lerner populär gemacht hat. V.4 Visuelle Programmierung Mit einer visuellen Programmierumgebung (engl. Visual Programming Language, kurz „VPL“) können Computerprogramme oder Roboteranwendungen ohne das Schreiben von Programmiercodes über Tabellen, Symbole oder Diagramme entwickelt werden. Als Konzept ist die visuelle Programmierung schon seit Mitte des 20. Jahrhunderts bekannt, in der Bildung hat sie sich allerdings erst durch zwei Entwicklungen durchgesetzt: die Verwendung der visuellen Programmierung für die LEGO-Mindstorms-Roboterbausätze und die zunehmende Popularität der visuellen Programmierumgebung „Scratch“.30 Scratch ist eine blockbasierte, visuelle Programmiersprache, die sich hauptsächlich an Kinder richtet. Ähnlich wie andere Programmiersprachen, basiert Scratch auf dem regulären Blockbau und legt den Fokus jedoch auf die erzieherische Funktion des Programmierens. Kinder aller Altersstufen können im Rahmen von Schulprojekten das Programmieren erlernen. Scratch wird als Einführungssprache verwendet, da die Erstellung von Programmen relativ einfach ist und die erlernten Fähigkeiten auf andere Programmiersprachen wie Python und Java angewendet werden können. Abb. V.2 zeigt die Umsetzung einer einfachen „Hello, world“-Anwendung mit Scratch. 30 Der Name „Scratch” kommt von dem Geräusch, das bei der Unterbrechung von Schallplatten aber auch beim Mischen verschiedener Medien entsteht. 147 Visuelle Programmierung Abb. V.2: Scratch (Screenshot einer einfachen Anwendung) Der visuelle Stil von Scratch beeinflusste die visuelle Programmiersprache „Blockly“, die entwickelt wurde, um Verbindungen zu verschiedenen Software-Varianten zu ermöglichen, darunter auch Software, die auf Robotern läuft. Auch Blockly verwendet visuelle Blöcke, die miteinander verknüpft sind, um das Schreiben von Code zu vereinfachen. Im Jahr 2012 im Rahmen von Google Developers veröffentlicht, kann Blockly besonders als Bildungswerkzeug dienen. Die sogenannten „Blockly Games“ sind eine Möglichkeit für jüngere Lerner die Grundprinzipien des Programmierens kennenzulernen. Diese kostenfreien Spiele können sowohl im privaten Bereich sowie in der Schule genutzt werden, um so Lernern algorithmisches Denken und Informatik-Prinzipien mit Hilfe der visuellen Programmierung zu vermitteln. Auch die Erweiterung von „Minecraft“, einem der bekanntesten Videospiele der jüngsten Zeit kann als visuelle Entwicklungsumgebung für den Unterricht eingesetzt werden. „Minecraft for Education“, so die genaue Bezeichnung, nutzt die Grundprinzipien des Spiels (Bauen 148 Humanoide Roboter als Werkzeug und Erkunden) für den Einsatz im Unterricht. Dabei steht bereits eine große Anzahl an vorbereiteten Unterrichtseinheiten zur Verfügung, die verschiedenste Fächer und Themen umfassen. Am Beispiel einer Minecraft-Welt voller ausgestorbener Tiere, die mit vielen wissenswerten Informationen versehen sind, können sich Lernende eigenständig Wissen aneignen, oder die vorbereiteten Arbeitsaufträge der Lerneinheit bearbeiten. So können Schüler anhand praktischer Beispiele in Konzepte der Informatik und der elementaren künstlichen Intelligenz eingeführt werden. Für die Nutzung von „Minecraft for Education“ wird allerdings eine jährliche Lizenzgebühr erhoben. Mit der Markteinführung der NAO-Roboter im Jahr 2006 und der für die Entwicklung dieser Roboter bereitgestellten Software „Choregraphe“ wurden die Möglichkeiten des Roboter-Einsatzes als Werkzeug erheblich erweitert. Zum einen bieten die NAO-Roboter selbst wesentlich mehr Optionen als z. B. Roboterbausätze, zum anderen erlaubt deren visuelle Programmierumgebung Choregraphe wesentlich umfangreichere Problemlösungen als z. B. Scratch, und gestattet zusätzlich die Modifikation existierender Python-Programmblöcke, sowie die Integration von selbstgeschriebenen Python-Codes.31 V.4.1 Choregraphe Choregraphe ist eine Multiplattform-Desktop-Anwendung für die visuelle Programmierung von Robotern aus dem Hause SoftBank Robotics, die das Folgende ermöglicht: • Erstellung von Animationen, Verhaltensweisen und Dialogen, • Testen von Programmen an einem simulierten (dem sog. „virtuellen“) Roboter oder an einem echten Roboter, • Überwachung und Steuerung von Robotern, 31 Die Varianten der Programmierung mit Choregraphe/Python werden in Abschnitt VI.3 erneut aufgegriffen. 149 Visuelle Programmierung • Anreicherung von Choregraphe-Verhalten mit eigenem Python- Code. Mit Choregraphe können Anwendungen für NAO-Roboter und bis einschließlich Version 2.5 auch für Pepper-Roboter erstellt werden, die Dialoge, Dienste und leistungsfähige Verhaltensweisen enthalten, wie z. B. die Interaktion mit Menschen, Tänze oder E-Mail-Versand, ohne eine einzige Zeile Code zu schreiben.32 Jedoch ist auch möglich vorgefertigte Boxen mit eigenem Python Code zu erweitern oder eine leere Box mit Python Code komplett selbst zu definieren. Choregraphe ist für die Betriebssysteme Windows, Linux Ubuntu und Mac OS verfügbar. Wenn die Software gestartet wird, erscheint die in Abb. V.3 dargestellte grafische Benutzeroberfläche mit den Werkzeugen und verschiedenen Fenstern – alles in englischer Sprache. Abb. V.3: Choregraphe 2.8.6 32 Die neuesten Pepper-Versionen werden seit 2019 nicht mehr über Choregraphe sondern über Android programmiert. 150 Humanoide Roboter als Werkzeug Im oberen Bereich findet man ähnlich wie bei Microsoft Office Produkten (Word, PowerPoint, etc.) eine Menüleiste sowie eine Werkzeugleiste, die als Shortcut (dt. Verknüpfung) zu Menüeinträgen (File, Edit, etc.) fungiert. Das heißt die Verbindung mit einem Roboter kann entweder über das Menü à Connection à Connect to Robot oder durch Klicken auf den grünen Button in der Werkzeugleiste geschehen. Darunter finden wir verschiedene Fenster, die in Abb. V.3. durch orangefarbene Buchstaben gekennzeichnet sind. Fenster A zeigt die Projektdateien (engl. Project Files), also die Bestandteile bzw. Dateien des Projektes an, und Fenster B die Boxensammlung (engl. Box libraries), d. h. die von Choregraphe bereitgestellten vorgefertigten Boxen. In der Bildschirmmitte, hier Bereich C, befindet sich die Hauptarbeitsfläche (engl. Flow Diagram Panel), wo die gewünschten Programme entwickelt werden. Auf der rechten Seite, in Bereich D, finden wir zum einen die Roboteransicht (engl. Robot View), eine grafische Darstellung von wahlweise Pepper oder NAO, die das implementierte Verhalten ausführen kann, und darunter das Inspektor-Fenster (engl. Inspector panel), Bereich E, das die Eigenschaften des ausgewählten Objekts bzw. Box anzeigt. Für die über die Jahre erschienenen unterschiedlichen NAO-Versionen mit unterschiedlichen NAOqi Frameworks (NAOqi ist der Name der Hauptsoftware, die auf dem Roboter läuft und ihn steuert) gibt es dementsprechende Choregraphe-Versionen. Ein NAO.V5, der mit NAOqi 2.1 läuft, sollte auch mit Choregraphe 2.1 programmiert werden, ebenso sollten Anwendungen für NAO.V6 mit NAOqi 2.8 über Choregraphe 2.8 entwickelt werden. V.4.2 Tethys Im März 2020 brachte SoftBank Robotics in Nordamerika mit „Tethys“ ein visuelles Programmierwerkzeug zur Entwicklung von Anwendungen für Pepper-Roboter auf den Markt. Das Unternehmen erhofft sich [V.V.1] 151 Visuelle Programmierung dadurch, dass sein humanoider Roboter, der bereits in Privathaushalten, Einzelhandelsgeschäften und Forschungslaboren eingesetzt wird, auch in Schulen eine Rolle spielen und zur Förderung der nächsten Generation von Entwicklern und Programmierern beitragen kann. Tethys ist eine integrierte Entwicklungsumgebung (engl. integrated development environment oder kurz IDE). Sie verfügt über eine benutzerfreundliche visuelle Programmierschnittstelle, ist in diesem Sinne anderen visuellen Programmiersprachen wie Blockly und Scratch ähnlich und kann im Webbrowser auf normalen Laptops und auch auf den in Schulen beliebten Chromebooks eingesetzt werden. Um ein Programm zu erstellen, zieht man wie in der visuellen Programmierung üblich Programm-Boxen, die verschiedene Roboter- Verhalten repräsentieren, auf den Bildschirm und verbindet sie mit virtuellen ‚Drähten‘. Das Ergebnis kann dann direkt auf einem Pepper-Roboter oder auf seinem virtuellen Pendant am Bildschirm ausgeführt werden. Im Rahmen eines Pilotprogramms verwenden bereits mehr als 1.000 Schüler in etwa 20 öffentlichen Schulen in Boston, San Francisco und Vancouver das Tool. Die Expansion an weiteren Standorten ist geplant. Der Reiz in der Nutzung von Tethys liegt möglicherweise nicht so sehr in der Bedienung dieser IDE, sondern eher in der Möglichkeit mit Pepper als Werkzeug zu arbeiten, da dieser Roboter auf Grund seiner Größe im Vergleich zu NAO ungleich attraktiver ist. Auf der anderen Seite bedeutet die Größe von Pepper aber auch, dass er ein Mehrfaches kostet.33 Sollen sich also Schulen Pepper-Roboter als Werkzeuge leisten können, bedarf es neuer Konzepte der Bereitstellung, wie Leasing oder Beschaffung durch Sponsoring. Bisher hat das Unternehmen das Problem durch die Spende von über 100 Pepper-Robotern an amerikanische und kanadische Bildungsinstitutionen in den vergangenen zwei Jahren gelöst. 33 Der Preis für einen NAO .V6 Roboter lag zur Zeit der Drucklegung dieses Buches bei 5.700,– €, ein Pepper-Roboter.V9 kostet ca. 17.000,– €. 152 Humanoide Roboter als Werkzeug V.5 Maker-Spaces mit NAO-Robotern Die umfangreichen Möglichkeiten, der zumindest einigermaßen überschaubare Anschaffungspreis und die hervorragende Eignung von NAO-Robotern als Werkzeug in digitalen Maker-Spaces haben zu einer mittlerweile immer größer werdenden Verbreitung geführt. Neben speziellen, z. T. auch privaten Anbietern gibt es inzwischen zahleiche Ansätze, NAO-Roboter als Werkzeuge in reguläre curriculare Prozesse einzubauen bzw. zu einem permanenten Bildungsangebot zu machen. V.5.1 Robotik-Schulen Eine der bekanntesten europäischen Robotik-Schulen ist die italienische Scuola di Robotica in Genua.34 Dieser gemeinnützige Verein wurde im Jahr 2000 von einer Gruppe von Geisteswissenschaftlern gegründet, mit dem Ziel, die Förderung der Disziplinen, die am Entwicklungsprozess der Robotik und neuer Technologien beteiligt sind, voranzutreiben. Im Laufe der Jahre hat sich die Robotik-Schule zu einem nationalen und internationalen Bezugspunkt für viele Forschungs- und Anwendungsaktivitäten der Robotik in den unterschiedlichsten Bereichen der Gesellschaft wie Lehre, Ökologie und Behinderung entwickelt. Die Robotik-Schule ist Partner vieler europäischer Projekte und seit 2009 landesweit als entsprechende Ausbildungseinrichtung zertifiziert. Eine ähnliche Einrichtung existiert mit der „Robotikos Akademija“ in Litauen.35 Diese Einrichtung bietet landesweit Kurse zu diversen Themen der Robotik an, u. a. auch Maker-Spaces mit Robotern, wobei humanoide Roboter hier bisher keine signifikante Rolle spielen. 34 https://www.scuoladirobotica.it 35 https://robotikosakademija.lt/ 153 Maker-Spaces mit NAO-Robotern Bei beiden Einrichtungen steht die allgemeine Robotik im Vordergrund. Über Konzepte zur flächendeckenden schulischen Integration von Robotik-basierten Unterrichtskonzepten, ganz zu schweigen von curricularen Verankerungen, verfügen allerdings weder die italienische Scuola di Robotica noch die litauische Robotikos Akademija. V.5.2 NAO-Roboter in Bildungszentren NAO-Roboter sind seit 2019 auch am Bildungszentrum Niedernhall (BZN) in Baden-Württemberg vertreten. In einer wöchentlichen AG können Schüler mit den Robotern arbeiten. So lernen sie das Programmieren mit Symbolen, Kreativität, Problemlösefähigkeit und Team- bzw. Kooperationsfähigkeit. Vor allem aber stehen das eigene Finden von Lösungen und die Freude am Umgang mit dem NAO- Roboter im Vordergrund. Abb. V.4 zeigt die Roboter AG des BZN zusammen mit ihren NAO-Robotern. Allerdings gibt es auch hier nur geringe Durchdringungseffekte, da die curriculare Integration fehlt. Abb. V.4: Die NAO-Roboter AG in Niedernhall 154 Humanoide Roboter als Werkzeug V.5.3 NAO-Roboter in „Smart Schools“ Eher auf den zukünftigen Arbeitsmarkt ausgerichtet ist das „Erich Gutenberg Berufskolleg Köln“ (EGB). Dem dortigen Robotereinsatz liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass mit „Industrie 4.0“ in den nächsten zehn Jahren eine 30-prozentige Reduzierung der durch Menschen besetzten Arbeitsplätze durch Roboter erfolgen kann. Davon werden auch Schüler betroffen sein, die nach Ihrem Schulabschluss auf den Arbeitsmarkt drängen, der den Bereich Industrie 4.0 betrifft. Im Sinne der Initiative „Bildung 4.0 bzw. Schule 4.0“ der Landesregierung von Nordrhein-Westfalen will das EGB seine Schüler und Auszubildende auf das Thema Robotik vorbereiten und dabei auch mehr als nur Grundlagenwissen vermitteln. Dazu hat das EGB nach den LEGO-Mindstorms Robotern seit 2018 auch die Roboter NAO und Pepper in sein Schulungskonzept aufgenommen. Von der Webseite des EGB Köln … Es hat sich herausgestellt, dass die Arbeit mit humanoiden Robotern eine erhebliche Steigerung der Kompetenzerlangung mit sich bringt. Der Einsatz humanoider Roboter fördert die Kreativität, die Problemlösungsfähigkeiten sowie die Ausbildung von Kooperationsund Teamkompetenzen im Unterricht und auch im gesellschaftlichen Leben. Dies alles sind Kernkompetenzen der 21st Century Skills. Die Ausrichtung auf die humanoide Robotik erscheint uns zeitgerecht und für den Kompetenzaufbau und die Kompetenzerweiterung der Schüler und Auszubildenden in diesem Thema dringend notwendig! Quelle: https://bit.ly/2usWgjr Im März 2018 erhielt die EGB Köln für ihr digitales Gesamtkonzept die „Smart School“-Auszeichnung. Über eine eventuelle curriculare Verankerung der Nutzung der humanoiden Roboter NAO und Pepper, die über eine Robotik AG hinausgeht, ist allerdings nichts bekannt. 155 Maker-Spaces mit NAO-Robotern V.5.4 NAO-Roboter im regulären Schulbetrieb So nützlich die in den vergangenen Abschnitten vorgestellten Roboter-Projekte und Robotik-Einrichtungen für die Vermittlung programmiertechnischer und algorithmischer Fertigkeiten auch sind, so sind sie doch in der Regel auf einen überschaubaren Adressatenkreis beschränkt – ihr Verbreitungsgrad ist somit noch sehr gering. Zum einen fehlt ihnen zu einer flächendeckende Dissemination die curriculare Verankerung in den Lehrplänen von Schulen und damit eine Verbreitung, die über freiwillige AG-Angebote oder gar Bezahlangebote hinausgeht, zum anderen sind keinerlei zielgruppenspezifische Anpassungskonzepte zu finden. Mit dem „Robotikum-Konzept“ versucht das Autorenteam dieses Buches seit Mitte 2017 ein neues Roboter-Schulungskonzept und somit einen weitergehenden Ansatz zu entwickeln. Die Idee zu diesem Konzept entstand aus den Evaluationen im Rahmen des Projekts H.E.A.R.T., als klar wurde, dass NAO-Roboter als Partner nur bedingt für die ‚normale‘ Hochschullehre in Frage kommen (sie sind einfach zu klein, siehe S. 157), sich als Werkzeug für die Vermittlung digitaler Konzepte aber bestens eignen. Die folgenden Abschnitte beschreiben die Eckdaten und zusätzlichen Komponenten für das Robotikum-Konzept, das zunächst ein Nebenprodukt des BMBF-geförderten Projekts H.E.A.R.T. war und heute Teil des weitergefassten, ebenfalls BMBF-geförderten Projekts RoboPraX ist. V.5.4.1 Die Pilotphase Im Rahmen des Projekts H.E.A.R.T., das u. a. das Teilziel hatte, zu ermitteln, welche Roboter überhaupt in der Hochschullehre als Partner in Frage kommen, wurde neben Pepper-Robotern auch der Einsatz von NAO-Robotern als Partner in der Lehre untersucht. Das Ergebnis war eindeutig: Eine Partnerrolle kommt für NAO-Roboter in der 156 Humanoide Roboter als Werkzeug Hochschullehre, egal welchen Formats, nicht in Frage. NAO ist mit seinen 56 cm Körpergröße einfach zu klein, um als vollwertiger Partner akzeptiert zu werden, und – stellt man ihn zur besseren Sichtbarkeit auf einen Tisch, wird er dennoch eher als Spielzeug angesehen. Als Werkzeug allerdings, so die Vermutung im Rahmen von H.E.A.R.T., kann er sehr wohl eine höchst motivierende Rolle spielen. Um dies zu überprüfen, wurden mit sieben freiwilligen Schülern einer Oberstufenklasse einer Marburger Schule drei Tage lang an einem NAO-Roboter Grundkonzepte der Dialogführung, der Fortbewegung und der Objekterkennung erprobt. Abb. V.5 zeigt Schnappschüsse aus dem ersten Testlauf. Programmieren mit Choregraphe Test am NAO-Roboter Abb. V.5: Der „Robotikum“-Testlauf Gleichzeitig wurden die Auswirkungen auf das algorithmische Denken der Schüler evaluiert. Auf die bereits in Abschnitt V.1 gestellte Aufgabe „Tür Öffnen“ antworteten sie vor dem Projekt, z. B. mit Den Türgriff betätigen und die Tür mit der Hand öffnen, dann eine Schrittbewegung nach vorn. 157 Maker-Spaces mit NAO-Robotern Im Anschluss an den Testlauf wurde den Teilnehmern folgende Aufgabe gestellt: Du sitzt an einem Tisch, auf dem ein volles Glas Wasser steht. Du möchtest das Glas austrinken. Was ist zu tun? Beschreibe Dein Vorgehen so kurz und genau wie möglich. In einer qualitativen Studie konnten anschließend gravierende Ver- änderungen im Problemlösungsverhalten der teilnehmenden Schüler festgestellt werden, wie z. B. diese Antwort verdeutlicht: Hand nach vorn strecken. Hand öffnen. Hand weiter nach vorne bis Glas umschlossen. Hand schließen. Arm anheben. Ellbogen einknicken. Hand zurückziehen bis zum Mund. Hand kippen. Mund öffnen. Trinken. Durch die Erkenntnisse dieser Pilotstudie ermutigt entstand die Idee eines schulübergreifenden regulären Angebots, mit NAO-Robotern in den Schulalltag zu gelangen, um nicht nur ausgewählten Schülern oder hochmotivierten Teilnehmern an Robotik-AGs, sondern allen Schülern die Gelegenheit zu geben, durch den Umgang mit humanoiden Robotern des Typs NAO nicht nur ihr algorithmisches Denken zu verfeinern, sondern auch allgemeine medien-relevante Aspekte kennenzulernen. Die Idee eines flächendeckenden „Robotikums“ war geboren. Dass NAO-Roboter übrigens auch in anderen Kontexten als Werkzeug eine Rolle spielen können, zeigt folgendes Beispiel, das im regulären sprachwissenschaftlichen Lehrbetrieb zum Einsatz kam. 158 Humanoide Roboter als Werkzeug NAO als Werkzeug in der Hochschullehre (Phonologie) Mit einem einfachen Experiment kann man das Bewusstsein von Studenten für Ausspracheunterschiede und orthographische Eigenschaften von Sprachen schärfen. Dabei nutzt man einfach die Unfähigkeit des Roboters, Namen landessprachen-gerecht auszusprechen. Ist bei NAO z. B. die englische Sprache eingestellt und er soll den deutsche Namen „Sabine“ aussprechen, bekommt er Probleme. Diese können durch einen arbiträren orthographischen Code gelöst werden. In einer SAY-Box wird dem Roboter anstatt „Hello Sabine“ die neue Form „Hello Zabeener“ übergeben und schon ist das Problem gelöst. Mit einem einfachen Setup: Laptop – NAO-Roboter kann so ein Ausspracheproblem gelöst werden und zusätzlich die Sprachwahrnehmung der Studenten gefördert werden. NAO erweist sich dabei einmal mehr als motivierendes Werkzeug, und – als Nebeneffekt – lernen die Lernbegleiter die Namen ihrer Kursteilnehmer schneller kennen. V.5.4.2 Das H.E.A.R.T. – Robotikum Zur Realisierung der Robotikum-Idee wurde von der Stadt Marburg, ihrem staatlichen Schulamt und der verantwortlichen Schulleitung ein speziell ausgestatteter Unterrichtsraum in der Marburger Adolf-Reichwein-Schule nicht nur permanent für das Robotikum bereitgestellt, sondern auch mit der entsprechenden technischen Infrastruktur ausgestattet (Laptops, Roboter, Präsentationsmöglichkeiten, WLAN-Zugang). Personell wurde das Robotikum vom H.E.A.R.T.-Team der Universität Marburg und zwei weiteren studentischen Hilfskräften – finanziert durch die Stadt Marburg – begleitet. 159 Maker-Spaces mit NAO-Robotern Zusätzlich konnten durch Sponsoring weitere NAO-Roboter angeschafft werden, so dass 2018 für diese erste Version des Robotikums folgende personelle und materielle Infrastruktur bereitstand: • 4 NAO.V5 -Roboter • 12 Laptops mit Choregraphe 2.1.4 • 1 Präsentationslaptop • 1 Datenprojektor • WLAN-Zugang • Tische, Stühle • 2 studentische Hilfskräfte Hinzu kam die inhaltliche Unterstützung durch die übrigen Mitglieder des H.E.A.R.T.-Teams bei der Planung und Entwicklung der Aufgaben für die Schüler im Robotikum. Abb. V.6 zeigt das komplette Team 2018. Abb. V.6: Das H.E.A.R.T-Robotikum-Team 2018 160 Humanoide Roboter als Werkzeug Das ursprüngliche Ablaufszenario im Robotikum, das drei Tage lang mit jeweils sechs Unterrichtsstunden pro Tag durchgeführt wurde, war thematisch wie folgt organisiert: • Tag 1 Roboter im Dialog mit Menschen • Tag 2 Roboter bewegen sich • Tag 3 Roboter sehen und fühlen Abb. V.7 zeigt eine Schulklasse (Oberstufe) im Robotikum. Abb. V.7: Das Marburger H.E.A.R.T – Robotikum 2018 V.5.4.3 Von H.E.A.R.T. zu RoboPraX Nach mehreren erfolgreichen Testläufen im zweiten Halbjahr 2018 wurde offensichtlich, dass ein auf Dauer funktionierendes Robotikum der durchgeführten Art nur dann den notwendigen Durchdringungsgrad erreicht, wenn es curricular in den Lehrplänen verankert wird. Dabei muss allerdings gewährleistet sein, dass dem in jeder Klasse existierenden Leistungsgefälle sowie den Unterschieden zwischen den einzelnen Klassenstufen Rechnung getragen wird. Mit anderen Wor- 161 Maker-Spaces mit NAO-Robotern ten: Die Inhalte und die Vorgehensweise im Robotikum selbst sollten an die jeweiligen Zielgruppen angepasst werden. Darüber hinaus sollte sichergestellt werden, dass die kostbaren, insgesamt 18 Stunden Präsenzzeit effizient genutzt und nicht mit organisatorischen, administrativen oder Grundlagen-bezogenen Aspekten belastet werden. Die grundlegende Funktionsweise von Choregraphe (Bildschirmaufbau, Menüstruktur, Werkzeugleiste, Funktionsweise etc., siehe Abb V.3) beispielsweise sollten nicht länger Teil der Präsenzphase im Robotikum sein, sondern bereits beim Start des Robotikums ‚sitzen‘, also Teil des vorab verfügbaren Wissens bzw. der vorhandenen Kompetenzen der Teilnehmer sein. All diese Erkenntnisse führten zu dem über das einfache Robotikum hinausgehenden, ganzheitlichen Vermittlungsansatz, der gepaart mit zusätzlichen Forschungs- und Entwicklungskomponenten als Projekt RoboPraX seit 2019 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. V.6 RoboPraX RoboPraX steht für: Roboter-Praktikum zur Förderung algorithmischer Denk- und Problemlösungsstrategien in einer digitalisierten Welt und ist in zwei übergeordnete Komponenten unterteilt: • die Komponente Lehren und Lernen • die Komponente Forschen und Entwickeln Die Lehr-/Lern-Komponente greift dabei die bisherigen Erfahrungen mit dem H.E.A.R.T. – Robotikum auf und sorgt für eine zielgruppenspezifische Organisation des inhaltlichen Angebots. Über die zusätzliche Forschungs- und Entwicklungskomponente wurden Anpassungen an den Inhalten und Angebotsszenarien vorgenommen und 162 Humanoide Roboter als Werkzeug entsprechende, sukzessiv an die jeweilige Lernergruppe angepasste, Umsetzungskonzepte entwickelt. Lehren, Lernen, Evaluieren und Entwickeln bilden dabei einen eigenständigen Zyklus, der mehrfach durchlaufen wird und dabei durch neue Gruppenzusammensetzungen und maßgeschneiderte Entwicklungsaufgaben an humanoiden Robotern die Teilnehmer optimal auf die in einer digitalen Welt benötigten Denk- und Planungsstrukturen vorbereitet. Abb. V.8 zeigt den Aufbau von RoboPraX. Abb. V.8: RoboPraX – Komponenten und Abläufe Auftakt-Bestandteil von RoboPraX ist der Online-Vorkurs „Robo- Base“. Er dient der selbstgesteuerten Inhaltsvermittlung, ist in verschiedenen zielgruppenspezifischen Varianten angelegt und macht die Kursteilnehmer mit den Prinzipien der Assistenzrobotik, sowie mit der Entwicklungsumgebung Choregraphe vertraut. 163 RoboPraX Im anschließenden dreitägigen „Robotikum“ werden kollaborativ die Grundlagen der Assistenzrobotik praxisnah an den vorhandenen Robotern erprobt und entwickelt, und die Teilnehmer werden so an die von der deutschen Kultusministerkonferenz 2016 definierten Kompetenzbereiche der digitalen Welt herangeführt. Neu im Projekt RoboPraX ist die Forschungs- und Entwicklungskomponente. Um die notwendigen Anpassungen an den inhaltlichen Komponenten RoboBase und Robotikum vornehmen zu können, bedarf es nämlich umfangreicher Evaluationen und Entwicklungen. Dabei werden permanente, qualitative und quantitative Untersuchungen vor, während und nach dem Durchlaufen der Lehr-/Lern- Komponente vorgenommen (RoboEval) und anschließend entsprechende Anpassungen an der Lehr-/Lernkomponente vorgenommen (RoboFit). Praktisch arbeitet RoboPraX auf einen Ablaufplan hin, der durch Evaluationen zur Umsetzbarkeit, Handhabung und Wirkung ständig weiterentwickelt wird. Durch die angestrebte curriculare Verankerung kann er zusätzlich als Standard in die Lehrerbildung übernommen werden. So werden Problemlösungsstrategien und algorithmisches Denken unter Zuhilfenahme entsprechender Hard- und Softwaretools nachhaltig auf verschiedenen Ebenen auf- und ausgebaut. V.6.1 Der Online-Vorkurs RoboBase Ein wesentliches Problem des ursprünglichen „H.E.A.R.T.-Robotikums“ bezog sich auf das Vorwissen der Teilnehmer. Während einige Teilnehmer, möglicherweise in der Erwartung des Robotikums ihre Computerkenntnisse aufpoliert hatten, manche sich sogar schon mit NAO-Robotern und der zugrunde liegenden Entwicklungsumgebung Choregraphe vertraut gemacht hatten, begannen andere ohne jegliche Vorkenntnisse, z. T. sogar ohne jegliche Medienbedienkompetenzen das Robotikum. Um diese Diskrepanz der Vorkenntnisse und Fertig- 164 Humanoide Roboter als Werkzeug keiten auszugleichen, entschied sich das RoboPraX-Team zur Entwicklung und Einrichtung des Online-Vorbereitungskurses RoboBase.36 RoboBase.V5.01 – Auszug aus dem Kurs-Trailer In diesem Kurs zeigen wir, dass humanoide Roboter bereits Einzug in unseren Alltag halten. Neben Rasenmäher- oder Staubsaugerrobotern existieren zunehmend auch Roboter, die uns Menschen in unseren Fähigkeiten und unserem Aussehen nachahmen. Was können diese Roboter derzeit? Wie werden sie gesteuert? Wie können wir von und mit ihnen lernen? Diese und weitere Fragen möchte dieser Kurs beantworten und Dir einen ersten Überblick über humanoide Roboter und ihre Nutzung in der heutigen Zeit geben. Quelle: https://www.oncampus.de/weiterbildung/moocs/robobase RoboBase ist wie ein MOOC (Massive Open Online Course) organisiert und besteht aus vier obligatorischen Lerneinheiten und einer optionalen zusätzlichen Lerneinheit zur Programmierung: • Lerneinheit 1: Humanoide Roboter • Lerneinheit 2: Die Fähigkeiten humanoider Roboter • Lerneinheit 3: Choregraphe • Lerneinheit 4: Anwendungen • Lerneinheit 5 (optional): Vertiefende Informationen Diese Lerneinheiten, die je nach Lerntempo in insgesamt vier bis acht Arbeitsstunden durchgearbeitet werden können, führen in die Grundlagen der Robotik ein und behandeln dabei Themen wie „Was sind humanoide Roboter?“ oder „Wie funktionieren humanoide Roboter?“. 36 Das RoboPraX-Team stammt in großen Teilen aus der Marburger Arbeitsgruppe „Linguistic Engineering“, die über jahrzehntelange und mittlerweile vielfach preisgekrönte Erfahrung in der Erstellung digitaler Lehrangebote verfügt. [V.V.2] 165 RoboPraX Zusätzlich führt der Kurs in das Programm Choregraphe, die zentrale visuelle Entwicklungsumgebung für NAO-Roboter, ein und stellt somit vor Durchführung des Robotikums das gesamte dafür benötigte Grundwissen bereit. Neben Texten und Grafiken enthält der Kurs interaktive Videos, um möglichst viele verschiedene Rezeptionskanäle zu bedienen. Dazu wurde RoboBase mit dem eigenen YouTube-Kanal „Educational Robotics“ verknüpft. Dort befinden sich alle für RoboBase benötigten und CC-BY lizensierten Lehrvideos. Zusätzlich sind die insgesamt 40 Lehrvideos für einen RoboBase-Kurs über das H5P-Tool mit Fragen gekoppelt, deren Beantwortung notwendig ist, um den Kurs zertifiziert zu bekommen. Um die Teilnehmer zusätzlich zu motivieren, den Kurs auch durchzuarbeiten, gibt es mit den im Kurs zu erwerbenden Digital Badges auch die entsprechende Anreize. Abb. V.9 stellt die in den vier obligatorischen Lerneinheiten zu erwerbenden Badges, je Lerneinheit ein Badge, vor. Lerneinheit 1: KI-Experte Lerneinheit 2: Roboter-Kenner Lerneinheit 3: Choregr-Master Lerneinheit 4: Naturtalent Abb. V.9: Digital Badges im Kurs RoboBase Zur Lösung der Zielgruppenproblematik wurden bisher zwei sprachlich und inhaltlich unterschiedliche RoboBase-Varianten eingerichtet, eine für Schüler der Unter- und Mittelstufe und eine für Oberstufenschüler. 166 Humanoide Roboter als Werkzeug Außerdem musste bei der Einrichtung der Online-Vorkurse berücksichtigt werden, dass derzeit zwei NAO-Roboter mit unterschiedlichen Choregraphe-Entwicklungsumgebungen existieren: • NAO.V5 mit Choregraphe 2.1 • NAO.V6 mit Choregraphe 2.8 Zwar werden seit 2019 nur noch NAO-Roboter der Version V6 über den Fachhandel ausgeliefert, da allerdings zahlreiche Institutionen noch NAO.V5 Roboter im Einsatz haben, sind auch die entsprechenden Vorkurse entwickelt worden. Zurzeit gibt es somit vier Varianten des Online-Vorkurses RoboBase: Kurs Zielgruppe NAO Choregraphe RoboBase.V5.01 Oberstufe V5 2.1 RoboBase.V6.01 Oberstufe V6 2.8 RoboBase.V5.02 Unter-/Mittelstufe V5 2.1 RoboBase.V6.02 Unter-/Mittelstufe V6 2.8 Abb. V.10: RoboBase-Varianten Alle RoboBase-Varianten werden über die E-Learning-Plattform oncampus der TH Lübeck angeboten.37 Weitere zielgruppen-spezifische RoboBase-Versionen, z. B. für die Primarstufe, sind in Arbeit. Mit Einführung des Online-Vorkurses RoboBase kann die Lehr-/ Lernkomponente von RoboPraX nun in einem Inverted-Classroom- Format angeboten werden: Das Grundwissen wird vorab online über RoboBase im Selbststudium erworben, die Inhaltsvertiefung erfolgt in Präsenz im Robotikum. 37 Gemeinsame URL: https://www.oncampus.de/; Suchbegriff: „RoboBase“. 167 RoboPraX V.6.2 Das RoboPraX – Robotikum Dass Robotikum selbst findet wie bereits in Abschnitt V.5.4.2 beschrieben an drei aufeinanderfolgenden Tagen mit jeweils sechs Unterrichtsstunden statt und nutzt weiterhin die in der Pilotphase eingerichtete Infrastruktur (vier NAO-Roboter, Laptops etc., Abb. V.11). Abb. V.11: Das RoboPraX-Robotikum: 12 Laptops, 4 NAO-Roboter Die Inhalte verteilen sich dabei wie folgt auf die einzelnen Tage: Tag 1 Dialoge mit NAO Eine Einstiegsaufgabe Einfache Sprachausgabeaufgaben (Englisch/Deutsch) Einfache und komplexe Dialoge Sounds im 2. Audiokanal Tag 2 NAO bewegt sich Die Choregraphe-Timeline Körperanimationen über die Timeline Dialoge mit selbst-definierten Animationen Einfache Fortbewegung in alle Richtungen 168 Humanoide Roboter als Werkzeug Tag 3 NAO sieht und fühlt Grundlagen der Objekterkennung (Kameras, Sensoren) Animationen mit Sensoren koppeln Gesichts-, Alters- und Emotionserkennung Durch den Vorkurs RoboBase allerdings entstehen neue Möglichkeiten. Anstatt sich mit organisatorischen und Grundlagen-bezogenen Aspekten befassen zu müssen, kann nun idealerweise sofort mit der Arbeit am Roboter begonnen werden. Voraussetzung für diese vollständige Umsetzung des Inverted-Classroom-Formats und somit eine erfolgreiche Präsenzphase im Robotikum ist die Durchdringung der Inhalte von RoboBase. Da das nicht für alle Teilnehmer vorausgesetzt werden kann, wurde das im vergangenen Abschnitt beschriebene digitale Badge-System eingeführt. Es entfaltet nicht nur eine motivierende Wirkung auf die Lerner, sondern es dient auch als probater Lernstandsanzeiger für den Lernbetreuer, insbesondere vor Beginn des Robotikums. Abb. V.12 zeigt den Badge-Status für eine zehnköpfige Lernergruppe vor Beginn ihres im Frühjahr 2020 abgehaltenen Robotikums. Name Ort Badges Volker Martin Stadtallendorf 1,2,3,4 Walter Worms Stadtallendorf 1,2,4 Kirsten Walter Stadtallendorf 1,2 Kevin Gründer Stadtallendorf 1,2,3,4 Jörn Peter Neustadt --- Mehmet Üzüglü Stadtallendorf 1,2,3,4 Nadine Schmidt Neustadt 1,3 Fiona Meckel Stadtallendorf 1,3 169 RoboPraX Frank Wagner Stadtallendorf 1,2,3,4 Fatima Hussein Stadtallendorf --- Abb. V.12: Der Badge-Status eines ausgewählten Kurses vor Beginn des Robotikums (Orte und Badge-Status sind real, die Namen sind frei erfunden; die Badge- Kennungen beziehen sich auf die Badges in Abb. V.9) Die Teilnehmer der in Abb. V.12 aufgelisteten zehnköpfigen Gruppe lassen sich nun leistungsmäßig wie folgt gruppieren: Gruppe 1 (alle vier Badges) Volker Martin, Kevin Gründer, Mehmet Üzüglü, Frank Wagner Gruppe 2 (drei bzw. zwei Badges) Walter Worms, Kirsten Walter, Nadine Schmidt, Fiona Meckel Gruppe 3 (keine Badges) Jörn Peter, Fatima Hussein Aus dieser Vorgruppierung ergeben sich zwei Tischgruppen mit unterschiedlichem Vorwissen für das Robotikum: Tischgruppe A (gute Vorkenntnisse): Volker Martin, Kevin Gründer, Mehmet Üzüglü, Frank Wagner (vier Badges), sowie Nadine Schmidt, Fiona Meckel (zwei Badges inkl. „Choregraphe“-Badge) und Walter Worms (drei Badges) Tischgruppe B (wenig Vorkenntnisse): Jörn Peter, Fatima Hussein (keine Badges) und Kirsten Walter (zwei Badges, allerdings ohne den „Choregraphe“-Badge) Während die Lerner von Tischgruppe A direkt selbstständig mit der Entwicklung erster Roboter-Anwendungen in Choregraphe beginnen können, benötigen die Lerner von Tischgruppe B noch eine kurze Einführung bzw. tutorielle Begleitung im Umgang mit Choregraphe. 170 Humanoide Roboter als Werkzeug Zusätzlich zu den vordefinierten Inhalten sollen die Teilnehmer am Robotikum begleitend ein Abschlussprojekt – vorzugsweise im Team – entwickeln und am dritten Tag des Robotikums vorstellen (siehe Abschnitt V.10). V.6.3 Erweiterungen Die Kombination von Online-Vorkurs (RoboBase) und Präsenz-Schulung (Robotikum) sorgt nicht nur für eine effiziente Vermittlung der benötigten Inhalte und ermöglicht so ein intensives Üben am Roboter, sondern es entstehen dadurch neue Möglichkeiten für die schulische Bildung in allen Phasen: Schule – Hochschule – Referendariat – Weiterbildung. V.6.3.1 Mit RoboSchool in die schulische Bildung Für Schulen kann das bisher vorgestellte RoboBase – Robotikum-Konzept 1-zu-1 übernommen werden. Einzig die Anforderungen an die jeweilige inhaltliche Tiefe muss an die jeweilige Lernergruppe angepasst werden und, es sollten die seit 2019 durch den Fachhandel ausgelieferten NAO.V6 Roboter eingesetzt werden. Bei den bisherigen mehr als 20 mit Marburger Schulklassen durchgeführten Robotik-Schulungen (noch ohne Online-Vorkurs Robo- Base) war auffällig, dass bei den Mädchen stets viel Arbeit in die Dialogfähigkeit und die Körperanimationen des Roboters gesteckt wurde, während die Jungen sich zumeist weniger für Dialoge interessieren und stattdessen mehr an der Fortbewegung oder an komplexen Körperbewegungen der Roboter interessiert waren. Diese Präferenzen zeigen sich auch in den bisherigen Projekten, in denen der Roboter schon nach wenigen Stunden einfache Dialoge ausführen oder in zeitintensiveren Anwendungen komplexe Aktionen durchführen kann. [V.V.3] 171 RoboPraX Typische Abschlussprojekte im Rahmen der schulischen Ausbildung sind daher Ratespiele, gymnastische Übungen mit dem Roboter oder einfache Projekte, die die Objekterkennungsfähigkeit des Roboters nutzen. V.6.3.2 Mit RoboTeach in die Lehrerbildung Zur Vorbereitung künftiger Lehrer auf die in den Schulen immer populärer werdenden Maker-Spaces mit NAO-Robotern wurde 2019 das RoboPraX-Lehr- und Lernkonzept an die Bedarfe des Lehramtsstudiums angepasst und mit „RoboTeach“ ein spezielles Medienmodul eingerichtet. Es wird als Äquivalent zum Pflichtmodul „Neue Medien in der Lehrerbildung“ im Studiengang „Englisch Lehramt an Gymnasien“ an der Philipps-Universität Marburg anerkannt und wie folgt mit insgesamt sechs Leistungspunkten abgerechnet: Teilmodul Leistungspunkte Leistung RoboBase 4 Kurszertifikat, PräsenzteilnahmeRobotikum Robo-Projekt 2 Projekteinreichung Abb. V.13: Das Medienmodul „RoboTeach“ Auch RoboTeach nutzt den Online-Vorkurs „ RoboBase “ – je nach eingesetztem NAO-Typ RoboBase.V5.01 oder RoboBase.V6.01 (siehe Abb. V.10), also den passenden Kurs für die Zielgruppe „Oberstufe“. Die Online-Lerneinheiten von RoboBase gilt es, in den ersten vier Semesterwochen durchzuarbeiten. Anschließend findet an vier Tagen das jeweils 4-stündige „Robotikum“ statt. Am Ende des Kurses steht das schon während der Laufzeit des Kurses definierte und bearbeitete Roboter-Projekt. Die Idee, das Modul RoboTeach mit einem benoteten Roboter-Projekt abzuschließen und [V.V.4] 172 Humanoide Roboter als Werkzeug dieses öffentlich vorzuführen, hat sich als Volltreffer erwiesen. Das im Vergleich zu den RoboSchool-Projekten erheblich anspruchsvollere Projekt soll dabei folgende Kriterien erfüllen: • Das Programm läuft flüssig. • Das Programm beinhaltet einen Dialog. • Der Roboter bewegt sich fort. • Die Sensorik des Roboters wird verwendet. • Der Roboter führt eine Körperanimation aus. Zusätzlich müssen eine Flowchart und ein semantisches Skript zur Verdeutlichung der Programmlogik erstellt werden. Im Wintersemester 2019/20 wurden u. a. folgende Abschlussprojekte von den Lehramtsstudenten im Kurs RoboTeach angefertigt und öffentlich auf den NAO-Robotern des RoboPraX-Teams vorgeführt:38 1. RoboForJob – „Didi“ im Bewerbungsgespräch Der NAO-Roboter „Didi“ simuliert ein Vorstellungsgespräch und demonstriert dabei seine Fähigkeiten in verschiedenen Schulfächern: z. B. durch gymnastische Übungen im Fach Sport oder durch Bilderkennung und –besprechung im Fach Kunst. Die Anwendung ist als humoristische Darbietung entwickelt und mit zahlreichen selbstentwickelten Körperanimationen gekoppelt. 2. WordTrainer – NAO bespricht Vokabeln Der Roboter dient im Primarstufenunterricht als Vokabeltrainer mit zwei ausgewählten Wortschatzgruppen: a) zum Thema „Körper des Menschen“ und b) zum Thema „Nahrung“ (Obst und Gemüse). Beim Thema „Körper“ zeigt er auf seine eigenen Gliedmaßen und 38 Das RoboPraX-Team verfügt über sieben NAO-Roboter: Die V5-Typen „Nao“, „Didi“, „Dodo“ und „Miki“, sowie die V6-Typen: „Cody“, Luca“ und „Toni“. 173 RoboPraX Körperteile, beim Thema „Nahrung“ operiert er per Bilderkennung. Beide Themenkomplexe werden mit einem Quiz abgeprüft. 3. RoboCook – NAO bespricht Kochrezepte NAO erkennt Zutaten zu Kochrezepten per Bilderkennung und ordnet sie Kochrezepten zu, die er dann im Dialog bespricht. Programmbeginn und –ende erfolgen über NAOs Körpersensoren. 4. GeoBot – „Didi“ erklärt geometrische Formeln Der NAO-Roboter „Didi“ erklärt mündlich oder per Körperanimation verschiedene geometrische Objekte, wie Quadrate, Kreise etc. und bespricht deren Berechnungsoptionen. Die Objekte identifiziert er per Bilderkennung und berechnet anhand dessen deren Fläche. 5. LabRobo – „Dodo“ hilft im Fach Chemie In diesem Projekt übernimmt der NAO-Roboter „Dodo“ die Sicherheitseinweisungen im Chemielabor im Dialog oder per Interpretation erkannter Piktogramme. Er erkennt und analysiert so die Gefahren, die von bestimmten Stoffen und Prozessen ausgehen. In den Ablauf sind passende Bewegungen und Animationen eingebaut. Neben dem ‚normalen‘ Ziel der RoboPraX-basierten Robotik-Ausbildung, Lehramtsstudenten durch neue Vermittlungskonzepte (Inverted Classroom) an die digitalen Herausforderungen in ihrem zukünftigen Beruf und darüber hinaus vorzubereiten, geht es in RoboTeach auch um allgemeine Aspekte der Digitalisierung (Datenorganisation, Datensicherheit, Lizensierungsmodelle, Medientechnik, Multimedia, Künstliche Intelligenz), die Dank der eingesetzten Roboter nicht nur theoretisch sondern auch praktisch erfahren werden können. 174 Humanoide Roboter als Werkzeug NAO als Unterrichtswerkzeug Ein weiteres Projekt, in dem NAOs Fähigkeiten als Werkzeug im Rahmen des Lehramtsstudiums genutzt wurden, wurde in der Lehrveranstaltung „Varieties of English“ realisiert. Hier nutzten die Teilnehmer ein vom RoboPraX-Team entwickeltes Dialog-Template für NAO, um im Twitter-Format (280 Zeichen) linguistische Definitionen zu entwickeln, auf dem Roboter zu speichern und bei Bedarf abzurufen. Dadurch wurden die Studenten auf der einen Seite zu kurzen, kompakt formulierten Definitionen angehalten, und es mussten bestimmte Dialogelemente auf dem NAO-Roboter, wie z. B. Sprechtempo, Betonung oder Sprechpausen oder bestimmte Körperanimationen, hinzugefügt werden. So entwickeln die Kursteilnehmer im Robotikum, dem zentralen Teil von RoboTeach, die für die Mensch-Maschine-Kommunikation benötigten Dialogprinzipien, sie verstehen, wie sich Maschinen bewegen, wie sie Objekte erkennen und die erkannten Daten auswerten. Sie begreifen, wie komplexe Handlungen algorithmisch gesteuert werden. Zusätzlich lernen sie die dazu benötigten Datenpakete zu organisieren und vor dem Hintergrund bestehender Urheberrechtsreglungen zu nutzen. Das RoboPraX-Maker-Space-Konzept realisiert diese Aspekte in angemessener und auf zeitgemäße Weise. V.6.4 RoboPraX – eine Zwischenbilanz Zum Zeitpunkt der Drucklegung dieses Buches kann konstatiert werden: Das RoboPraX-Konzept ist auf einem guten Weg. Sowohl die schulische Version RoboSchool als auch die für das Lehramt relevante Variante RoboTeach funktionieren im Alltagsbetrieb. Allerdings gibt es auch eine Reihe von Herausforderungen. 175 RoboPraX So ist trotz erster Schritte die Zielgruppenproblematik bei weitem noch nicht gelöst. Es hat sich herausgestellt, dass die grobe Unterteilung in Unter- und Mittelstufe auf der einen und Oberstufe/Lehramt auf der anderen Seite nicht granular genug ist, um den unterschiedlichen Bedürfnissen der Lerner gerecht zu werden. Und auch der Geschlechterunterschied ist bis heute nicht hinreichend repräsentiert. Hier sind zunächst weitere Untersuchungen notwendig (RoboEval) und danach entsprechende Anpassungen (RoboFit) an den Lehr-/ Lernmodulen, z. B. durch Erstellung weiterer RoboBase-Varianten, vorzunehmen. Ein zweites Problem für dieses Maker-Space-Konzept ist eine nachhaltige Verbreitung über einzelne ausgewählte Schulen hinaus. Immerhin sind die ca. 40.000,– €, die für die technische Infrastruktur dieses Lehr-/Lernkonzepts bereitzustellen sind, keine Kleinigkeit, und so manche Institution wird daher trotz der sozialen Fähigkeiten von NAO-Robotern kostengünstigere Varianten mit einfachen, auch nichthumanoiden Robotern, z. B. mit LEGO-Mindstorms, bevorzugen. Das wohl größte Problem sind aber nicht die Lerner und auch nicht die bereitzustellende technische Infrastruktur sondern die Lehrer. Ihnen fehlt es in Masse bisher an der notwendigen Ausbildung, um z. B. ein Robotikum zu leiten, und für die Begleitung von Online-Kursen wie RoboBase verfügen sie in der Regel ebenfalls kaum über die notwendige Erfahrung. In ihrer eigenen Aus- und Weiterbildung gibt es bisher keine diesbezüglichen Konzepte und Inhalte.39 Mit Aus- und Weiterbildungskonzepten á la RoboTeach ist zwar ein Anfang gemacht, allerdings ist dies bisher auf wenige Einrichtungen beschränkt und daher nicht flächendeckend. Erst durch Umstellung der Lehrerbildung an den Hochschulen und durch Integration von 39 Eine zusätzliche Herausforderung entstand, als mit Beginn der Corona-Krise die deutschen Schulen ihren Präsenzlehrbetrieb einstellen mussten und somit auch die Durchführung des Robotikums unmöglich wurde. Dadurch wurde die Forschungs- und Entwicklungskomponente von RoboPraX für einen längeren Zeitraum erheblich beeinträchtigt. 176 Humanoide Roboter als Werkzeug Maker-Space-Konzepten in die grundständige Lehrerbildung kann hier Abhilfe geschaffen werden. Um schnelle Lösungen herbeizuführen, bleiben daher zur Zeit nur ausgeklügelte inhaltliche Herangehensweisen, mit denen zielgruppenspezifische Aufgaben, Musterlösungen, Projektideen und Lösungen digital so bereitgestellt werden, dass die Durchführung eines Robotikums prinzipiell jedem Lehrer möglich gemacht wird. Genau das ist der Ansatz von RoboPraX: Die Ermöglichung der Schulung an NAO- Robotern unter Berücksichtigung der jeweiligen Zielgruppe und der Ermöglichung der Leitung durch jeden Lehrer. Dazu wird eine Software-Lösung geschaffen, mit dem Ziel, nach Eingabe und Definition der Zielgruppe, automatisch die zu erledigenden Arbeitsschritte, Aufgaben und Musterlösungen als Handreichungen für die Lehrer und als digitales Arbeitsheft für die Schüler zu erhalten. Abb. V.14: Das zur Zeit noch standardisierte Robotikum Arbeitsheft Ausgehend von den heute für das RoboPraX-Robotikum bereits entwickelten Arbeitsheften (Abb. V.14) werden personalisierte Arbeitshefte, 177 RoboPraX die anhand verfügbarer Lernerdaten (Badges, Vorkenntnisse etc.) automatisch an die einzelnen Lerner angepasst werden, digital bereitgestellt. Durch diese Individualisierung kann passgenau auf die Bedürfnisse der Lerner eingegangen werden. Der den RoboBase-Vorkurs und das anschließende Robotikum betreuende Lehrer erhält die für alle Mitglieder seiner Lernergruppe definierten Aufgaben mit Musterlösungen und Lösungsschritten. Damit ist ein hohes Maß an Individualisierung bei gleichzeitiger optimalen Betreuung gewährleistet. Für die Weiterentwicklung des RoboPraX-Robotikums besteht die berechtigte Hoffnung, dass nicht nur NAO-Roboter mit ihren erstaunlichen Fähigkeiten zur Stärkung des eigenen algorithmischen Denkens eingesetzt werden, sondern möglicherweise weitere Roboter als Partner der Lernbegleiter, z. B. Pepper mit spezifischen CAPs (Abschnitt IV.2.2) in dieses konstruktive und kollaborative Unterrichtsgeschehen mit einbezogen werden. Ein derartig ausgestatteter Maker-Space des 21. Jahrhunderts könnte das in Abb. V.15 gezeigte Aussehen haben. Abb. V.15: Der Maker-Space im 21. Jahrhundert 178 Humanoide Roboter als Werkzeug V.7 Ethische und juristische Fragen Eine besondere Herausforderung im Umgang mit humanoiden Robotern, in welcher Form auch immer, sind ethische und juristische Fragen. Es geht um Aspekte der Verantwortlichkeit und, ggf. auch um Aspekte der Haftung. Diese werden seit 2016 von der deutschen Kultusministerkonferenz neben anderen Aspekten der Medienkompetenz unter den Labels „Datensicherheit“ und „Analysieren und Reflektieren“ geführt. Gerade die Reflektion und Analyse des Umgangs mit und des Einsatzes von Robotern, sowie die Rolle von Künstlicher Intelligenz (KI) im Bildungsalltag bilden daher einen zusätzlichen, wenn auch kleinen, abschließenden Schwerpunkt im RoboPraX- Konzept. Dabei wird auf die Erkenntnisse früherer und laufender Projekte zurückgegriffen. So war es z. B. das Ziel des von 2012 bis 2014 von der Europäischen Kommission geförderten Forschungsprojekts RoboLaw40, ethische und gesetzliche Probleme der Robotik zu diskutieren und Richtlinien für die zukünftige Europäische Regulation derer zu entwickeln. Besonders wurde untersucht, ob die Gesetze der Robotik innerhalb bereits bestehender gesetzlicher Regulationen gefasst werden können, oder ob die Einführung neuer Gesetze erforderlich ist, um die nötigen Regulationen rund um die Robotik umzusetzen. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass die Frage der Verantwortlichkeit und Haftung wohl das größte und kritischste Thema darstellt. Da auch noch keine spezifischen Gesetze für robotische Applikationen bestehen, ist bisher noch unklar, wer haften soll, falls eine solche Applikation (beispielsweise ein selbstfahrendes Auto oder ein humanoider Roboter) gegen die Gesetzeslage verstoßen oder gar Leben gefährden sollte. 40 Regulating Emerging Robotic Technologies in Europe: Robotics facing Law and Ethics. 179 Ethische und juristische Fragen Während im Fall von selbstfahrenden Autos die Versicherung eine logische Haftungsmöglichkeit darstellt, könne dies jedoch nicht auf alle robotischen Applikationen übertragen werden, da diese viele verschiedene Formen annehmen können und individuelle Regulationen benötigen. Da besonders medizinische und pflegerische Roboter eine Anreicherung für den Menschen darstellen, sollten diese laut der Forschung gemeinsam mit pharmazeutischen und genetischen Produkten gruppiert werden und gemeinsam weiterer Forschung unterzogen werden. Das Projekt forderte demnach bereits 2012 eine intensivere Auseinandersetzung mit gesetzlichen und ethischen Aspekten der Robotik. Diese Aspekte erfahren weiterhin eine große Relevanz in der Robotik, da besonders auf Europäischer Ebene noch Lücken bezüglich des Haftungsrechts von robotischen Applikationen bestehen. Das RoboPraX-Lehr-/Lernkonzept sollte daher Erkenntnisse dieser Art integrieren. V.8 Zusammenfassung und Lektüreempfehlungen Die Werkzeugfunktion humanoider Roboter ist mittlerweile zu einer Hauptfunktion vor dem Hintergrund einer modernen digitalen Welt geworden. Im Unterschied zu den in den Kapiteln III und IV vorgestellten Partnerfunktionen sind viele Werkzeug-Anwendungen heute gut erprobt, finanzierbar und unabhängig von spezifischen Lehr-/ Lernkonzepten einsetzbar. Darüber hinaus können sie alters- und zielgruppenübergreifend eingesetzt werden und – was möglicherweise in manchen Regionen noch eine Rolle spielen kann – sie sind unabhängig von Internetzugängen realisierbar. 180 Humanoide Roboter als Werkzeug Lektüreempfehlungen Alves-Oliveira, P., Sequeira, P., & Paiva, A. 2016. The role that an educational robot plays. 25th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, 817–822. Anwar, S., Bascou, N. A., Menekse, M., & Kardgar, A. 2019. A Systematic Review of Studies on Educational Robotics. Journal of Pre-College Engineering Education Research., 9(2), Article 2. Benitti, F. B. V. 2012. Exploring the educational potential of robotics in schools: A systematic review. Computers and Education, 58(3), 978–988. Khanlari, A. 2013. Effects of educational robots on learning STEM and on students’ attitude toward STEM. 2013 IEEE 5th International Conference on Engineering Education, 62–66. 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Bildung in der digitalen Welt. https:// www.kmk.org 181 Zusammenfassung und Lektüreempfehlungen Fragen zur Vertiefung Was spricht für bzw. gegen die Verwendung von NAO-Robotern in Maker-Space-Konzepten? Welche Abschlussprojekte für ein Robotikum mit Mittelstufenschülern mit Fokus auf Mensch-Maschine-Dialog sind denkbar? Warum ist die Erstellung eines Flussdiagramms (engl. Flow-Chart) als Zusatz für ein Roboter-Projekt im Lehramtsstudium so wichtig? 182 Humanoide Roboter als Werkzeug

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References

Abstract

Humanoid robots are spreading into more and more areas of daily life. But what tasks do they perform and how can they provide us with useful support, especially in educational contexts?

In his introductory book, the German digital pioneer, Prof. Dr. Jürgen Handke, manager of the two well-known robot projects H.E.A.R.T. and RoboPraX, shows how humanoid robots can be used in an increasingly digital world: as simple showcases, as partners in various areas of life, especially in education, or as tools for acquiring and consolidating digital skills. Beyond these applications, the book provides an overview of humanoid robots and a discussion of the challenges of using them in the context of everyday life.

Zusammenfassung

Humanoide Roboter verbreiten sich in vielen Bereichen des täglichen Lebens. Doch welche Funktionen übernehmen sie dabei im Einzelnen? Was können sie für uns leisten und wie können sie speziell das Lehren und Lernen in einer digitalen Welt sinnvoll unterstützen?

Der deutsche Digital-Pionier Prof. Dr. Jürgen Handke, Leiter der Projekte H.E.A.R.T. und RoboPraX, zeigt in seinem einführenden Buch, wie humanoide Roboter gewinnbringend eingesetzt werden können, und diskutiert die verschiedenen Möglichkeiten der Nutzung durch uns Menschen: von einfachen Showcase-Anwendungen über den Einsatz als Partner in verschiedenen Lebensbereichen, speziell in der Bildung, bis hin zur Nutzung als Werkzeug zur Erlangung und Festigung digitaler Kompetenzen.