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Sabrina Zeaiter, 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen in:

Sabrina Zeaiter, Jürgen Handke (Ed.)

Inverted Classroom - Past, Present & Future, page 51 - 66

Kompetenzorientiertes Lehren und Lernen im 21. Jahrhundert

1. Edition 2020, ISBN print: 978-3-8288-4436-0, ISBN online: 978-3-8288-7451-0, https://doi.org/10.5771/9783828874510-51

Tectum, Baden-Baden
Bibliographic information
RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen Sabrina Zeaiter This paper describes the project RoboPraX at the Philipps-University Marburg (Germany), financed by the German federal ministry of education and research (BMBF). The overall objective of the project is to develop guidelines for educational institutions to enable them to use the developments in digitization and robotics to further their educational goals. To this end, the project researches didactic possibilities of social robots in teaching at (high) school level using a specifically developed workshop concept in which robots are used as teaching tools, including appropriate applications and teaching scenarios. The implementation tests for this exploratory study are conducted in a realistic setting (i.e. school workshops called Robotikum). Students’ responses to this new teaching tool are evaluated through observation and qualitative questionnaires as well as competency tests and interviews of educational stakeholders. Einleitung Dass es sich bei der Digitalisierung nicht um einen kurzlebigen Trend oder eine Modeerscheinung handelt, ist mittlerweile großflächig in der deutschen Gesellschaft akzeptiert. Wie mit dieser Entwicklung und den daraus resultierenden neuen Möglichkeiten und Herausforderungen konstruktiv umgegangen werden kann und soll, wird allerdings noch weitläufig kontrovers diskutiert. Die deutsche Bundesregierung bemüht sich durch verschiedenste Förderlinien und Ausschreibungen, die wissenschaftliche Aufarbeitung des vielschichtigen Komplexes Digitalisierung zu befördern, auch mit einem Fokus auf Bildung. Das Forschungsprojekt RoboPraX (Abb.1) ist Teil des Rahmenprogramms Empirische Bildungsforschung auf der Förderlinie ‚Digitalisierung im Bildungsbereich – Grundsatzfragen und Gelingensbedingungen‘ (BMBF, 2019; Metavorhaben Digi-EBF, 2019). 7 7.1 51 Der Hauptfokus des Projektes ist von praktischer Natur und zielt auf eine Verankerung digitaler Zukunftstechnologien und dem dazugehörigen Anwendungswissen in der deutschen Bildungslandschaft. Der durch die zunehmende Digitalisierung hervorgerufene gesellschaftliche Wandel soll positiv in der Bildung und proaktiv durch Bildung begleitet und gestaltet werden. Hierfür sind ein Umdenken sowie eine Umstrukturierung im bestehenden Bildungsgeflecht von Nöten. Die hierfür nötigen Schritte werden handlungsorientiert beforscht und durch praktische Handlungsanleitungen für den Wandel begleitet. Hierzu ist das Interventionsprojekt Robotikum1 (3-tägiges Roboter-Praktikum) der initiale Schritt. Das Projekt hat strategische Partnerschaften mit der Stadt Marburg (Finanzierung von drei studentischen Hilfskräften), der Philipps-Universität Marburg (Projektbasis / stellt 2 NAO-Roboter), der Adolf-Reichwein-Schule in Marburg (Räumlichkeiten) sowie der Sparkasse Marburg-Biedenkopf (Sponsor von zwei NAO-Robotern). Vor allem in der Findungsphase haben die Stadt sowie der Kontakt zur Adolf-Reichwein-Schule in Marburg das Projekt erst möglich gemacht. Zielsetzung des Projekts Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojektes RoboPraX ist die Förderung des MINT-Bereichs, durch den Einsatz humanoider Roboter2 in der schulischen Bildung. Auf primärer Ebene sollen Schülerinnen und Schüler (SuS) sowie Lehrkräfte erreicht werden, aber ebenso die Leitungsebene der Schulen, neben weiteren Ebenen wie z.B. der politischen (Städte, Landkreise etc.). Schülerinnen und Schülern soll durch das Robotikum die Möglichkeit geboten werden humanoide Roboter kennenzulernen und ein vertieftes Verständnis für Technik und Programmierung zu erlangen. Durch Infografik, die die Elemente des Forschungsprojekts RoboPraX visuell darstellt. Abb. 1: 7.2 1 Das Robotikum wird im Unterpunkt 3.2 ausführlich erläutert. 2 Für eine Definition des Begriffs (humanoider) Roboter vergleiche Zeaiter (2017). 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen 52 eine positive Begleitung der Digitalisierung der Gesellschaft soll der Abbau von Ängsten vor zukünftigen Entwicklungen befördert und die nächste Generation auf die Herausforderungen und Möglichkeiten der zukünftigen Lebens- und Arbeitswirklichkeit vorbereitet werden. Auch und gerade Mädchen sollen im MINT-Bereich gestärkt werden, in dem sie noch immer unterrepräsentiert sind (SESTEM, o. J.). Weiterhin soll das algorithmische Denken, welches in der heutigen digitalen Welt besondere Bedeutung hat, grundständig gefördert und weiterentwickelt werden. Hierzu wurden Aufgaben im Projekt entwickelt, die einen spezifischen Fokus auf diesen Bereich legen. Als Social Robots sind die NAO-Modelle besonders für den ersten Kontakt mit dem MINT-Bereich geeignet und bieten einen interaktiven, unterhaltsamen und niederschwelligen Einstieg in die Welt der Programmierung. Insbesondere auf die Förderung einer handlungsorientierten Lernerinnen- und Lernerautonomie wird in diesem Zusammenhang Wert gelegt, da der Umgang mit der eingesetzten visuellen Code-Editor Choregraphe und den humanoiden NAO-Robotern im Allgemeinen ein hohes Maß an eigenständigem Arbeiten erfordert. Neben den fachlichen Kompetenzen im Bereich Künstliche Intelligenz (KI) und Programmierung werden personale Kompetenzen (u.a. Anpassungsfähigkeit, Flexibilität, Eigenverantwortung, logisches Denken und Kreativität), soziale Kompetenzen (u.a. Teamfähigkeit, Kommunikation und Kollaboration), sowie Handlungskompetenzen (u.a. Problemlösungsund Umsetzungsfähigkeit) gefördert (vgl. Deutsches Jugendinstitut, 2006). Darüber hinaus haben Beobachtungs- und Erfahrungswerte aus der 1 ½ -jährigen Pilotphase gezeigt, dass die SuS sich in der Projektarbeit in weitere Gebiete einarbeiten, die über die intendierten Lernziele hinausreichen. So werden oftmals für die Anlage der Projekte bestimmte Berufsfelder zum Vorbild genommen. Hierbei reflektieren die SuS diese Berufe auf mehreren Eben und versuchen mit ihren Applikationen das Verhalten in der gewählten Berufsgruppe wahrheitsgetreu wiederzugeben. Ein Beispiel hierfür ist die Fitnesstrainer-App, die von einer Mädchengruppe der Mittelstufe im Robotikum entwickelt wurde. Die Schülerinnen analysierten die berufstypischen Sprach- und Bewegungsmuster und replizierten diese, so weit möglich, auf dem humanoiden Roboter. Hierzu zählen die Bewegungsabläufe für Dehn- und Kräftigungsübungen mit den entsprechenden sprachlichen Übungsanweisungen. Die Gruppe ging jedoch über diese Umsetzung hinaus und replizierte auch den Aspekt des Fitnessmotivators und ‚Antreibers‘ indem sie den Übungsanweisungen noch entsprechende motivationale Phrasen, Durchhalteparolen und Lobesbekundungen hinzufügten. Auch auf sozial-emotionaler Ebene werden die SuS analytisch tätig. So gehört die Auseinandersetzung mit Emotionen und deren Manifestation im Menschen sowie, dazu im Kontrast, bei humanoiden Robotern zu einer vielfach beobachteten Reflexionsebene der Teilnehmenden. Die SuS ergründen die physische Manifestation von Emotionen, um diese auf den Robotern einzuprogrammieren. Dabei werden ihnen die Unterschiede zu den sichtbaren Merkmalen von emotionalen Reaktion im Menschen deutlich. Die Roboter haben z. B. keine Mimik, durch die sie Emotionen ein ‚Gesicht‘ verleihen könnten. Dafür steht ihnen mit der farblichen Varianz in den LEDs der Augen, ein visuelles Mittel zur Verfügung, das nicht im Repertoire eines 7.2 Zielsetzung des Projekts 53 Menschen ist. Im Robotikum wurde dieser Aspekt zum Anlass genommen, die SuS darauf aufmerksam zu machen, dass die Farben zugeschriebene Bedeutung kulturell determiniert wird und keine allgenmeine Gültigkeit hat (z.B. anhand der westlichen Bedeutungszuschreibung von Trauer zur Farbe Schwarz im Kontrast zu Weiß als Trauerfarbe in Japan). Zusätzlich lässt sich am Beispiel der Farben die Visualisierung von Metaphern, also sprachlichen Bildern, deutlich machen (u. a. ‚rot vor Wut‘, ‚rot vor Scham‘, ‚gelb/grün vor Neid‘ etc.). Auch die Körpersprache von Emotionen wird hierbei reflektiert. Es stellen sich Fragen wie z.B. ‚Welche Haltung nimmt der Mensch bei bestimmten Gefühlsregungen ein? Sind diese Haltungen eindeutig identifizierbar?‘. Außerdem wird deutlich, dass Emotionen nicht in absoluten Werten existieren, sondern in verschiedensten Abstufungen, so etwa beim Lachen die Varianz zwischen ‚sich Tod lachen‘, ‚schadenfrohes Lachen‘, ‚albernes kichern‘ etc. Es wird also nicht nur die Ausprägung bzw. Stärke der Emotion betrachtet, sondern auch die Qualität. Zu der visuellen Komponente kommt zusätzlich noch die auditive. Emotionen sind oftmals, wenn auch nicht immer, von Lauten begleitet. Auch diese weisen eine hohe Varianz auf und werden von den SuS ergründet, so dass ein Bewusstsein für die Vielschichtigkeit emotionaler Reaktionen und deren audio-visueller Manifestation entsteht. Regelmäßige Reflexions- und Evaluationsprozesse begleiten die Weiterentwicklung des Workshop-Konzepts (siehe Unterpunkt 7.4). Lehrkonzept Im Projekt wird ein invertiertes Lehrkonzept verfolgt. Der Präsenzphase Robotikum ist ein online Vorkurs im MOOC-Format (Massive Open Online Course) vorgelagert. So soll für die SuS mehr praktische Übungszeit an den Robotern ermöglicht werden. Im Lernprozess nimmt der Roboter die duale Rolle als Lernwerkzeugs und Lernobjekt ein. Durch den Einsatz von Robotern in dieser dualen Form erhält der Lernprozess eine spielerische Komponente, da Roboter so eingesetzt „oftmals auch einen Spielzeugcharakter“ (Zeaiter, 2017; Standen, Brown, Hedgecock, Roscoe, Galvez Trigo & Elgajiji, 2014) aufweisen. Unterstützt wird dies noch durch den projektorientierten Ansatz sowie einem ‚trial and error‘-Vorgehen während des Robotikums (sozusagen learning-by-doing). Folglich lässt sich der im Robotikum gestaltete Zugang zu MINT- Fächern als eine Form des Edutainment3 bezeichnen, Lernen unterstützt durch einen antizipierten Spaßfaktor und den Charakter des Novums, der Lern-Novelle, der mit der Lehr-Lerninnovation Roboter einhergeht. 7.3 3 Edutainment ist ein Portmanteau-Wort (linguistisch gesehen eine Kontamination, zu Englisch blend wie etwa Brunch (breackfast-lunch)), eine inhaltliche Begriffsverschmelzung aus education und entertainment und bezeichnet alles was sich im Überlappungsfeld von Unterhaltung und Bildung befindet, sogenanntes ‚unterhaltsames Lernen‘. 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen 54 Weiterhin lässt sich als positiv unterstützender Faktor das dem Menschen als soziales Wesen naheliegende soziale Lernen4 feststellen. Auch wenn es sich bei den Robotern nicht um ‚tatsächliche‘ soziale Partner handelt, nehmen sie im Lern- und Arbeitsprozess doch diese Rolle in der Mensch-Maschine-Interaktion ein. Vielfach konnte in der Pilotphase des Robotikums festgestellt werden, dass die Teilnehmenden zu den eingesetzten Robotern eine soziale Bindung aufbauten. Technische Störungen wurden menschlichem Verhalten gleichgesetzt (‚Der Roboter hat heute keine Lust.‘ ‚Ihm geht es nicht gut.‘ ‚Er ist müde.‘ ‚Ihm ist zu warm.‘ etc.). Auch wurden Koseworte benutzt (‚Komm zu Mamma.‘) und menschliche Beziehungsgeflechte analogisiert. Die Grundlage für diese Verhalten findet sich in der menschlichen Tendenz zu Anthropomorphismus, das maschinelle, programmierte ‚Verhalten‘ der Roboter wird unter menschlichen Verhaltensnormen beurteilt und bewertet (vgl. Fong, Nourbakhsh & Dautenhahn, 2003; Greczek, Short, Clabaugh, Swift-Spong & Matarić, 2014; Cooper, Keating, Harwin & Dautenhahn, 1999). Die Teilnehmenden bauen in kurzer Zeit eine Beziehung zu den Robotern auf und diese Beziehung kann ebenfalls zur Unterstützung eines positiven Lernergebnisses genutzt werden. In den nachfolgenden Unterpunkten werden der Vorkurs RoboBase, das Robotikum sowie eine didaktisch abgewandelte Variante des Robotikums für Lehramtsstudierende (RoboTeach) näher beschrieben. RoboBase Um den Schülerinnen und Schülern mehr Übungszeit im Workshop Robotikum zu ermöglichen, wurde das Konzept invertiert und ein kostenloser, deutschsprachiger Vorkurs im MOOC-Format entwickelt, RoboBase, der auf der Lernplattform oncampus.de angeboten wird. Auch wenn der Kurs spezifisch auf die Bedarfe der Teilnehmenden des Robotikums angepasst ist, bietet er auch allgemeine Informationen zu humanoiden Robotern und Robotik. Er steht deshalb auch allen Interessierten offen und kann darüber hinaus auch Informationsquelle über das Robotikum, also als eine Art ‚sneak peak‘ dienen. Die Inhaltsvermittlung erfolgt im Rahmen von Selbstgesteuertem Lernen (SGL) und deckt allgemeine Grundlagen der humanoiden Robotik sowie Basiswissen zur Blockprogrammierung der im Robotikum eingesetzten Roboter des Typs NAO ab. Diese grundlegenden Informationen bilden das Fundament der weiteren projektorientierten Arbeit im Robotikum. Blockprogrammierung nutzt eine reduzierte, visuelle Programmiersprache mit vorprogrammierten Boxen, die über die Arbeitsfläche des Code Editors zu Applikationen zusammengefügt werden können. Der im Robotikum eingesetzte Code Editor Choreographe ist Python basiert, die Roboter können aber auch mit C++ und Java Script programmiert werden. Ziel des Projekts ist es allerdings nicht, die Teilnehmenden zu Programmierern zu machen. Dies wäre realistisch betrachtet in einem drei- 7.3.1 4 Für ausführlichere Informationen zum sozialen Lernen siehe Kapitel 5. Einsatzmöglichkeiten humanoider Roboter im universitären Umfeld von Sabrina Zeaiter & Katharina Weber (S. 35–54). 7.3 Lehrkonzept 55 tägigen Workshop ein mehr als utopischer Plan. Vielmehr sollen die SuS durch den niedrigschwelligen Einstieg über Blockprogrammierung (keine Vorkenntnisse im Programmieren nötig) motiviert werden, sich zukünftig mit dem Bereich Digitalisierung und Informatik konstruktiv auseinanderzusetzen. Insbesondere informatisch noch nicht gebildete und evtl. auch weniger interessierte SuS zählen zu den Zielgruppen dieser Intervention, ihnen soll auf diesem Wege eine Möglichkeit zur aktiven Partizipation geben werden. Der in fünf Kapitel untergliederte Kurs führt die Teilnehmenden über Definitionen humanoider Roboter hin zur Programmierung einfacher Anwendungsbeispiele am Roboter-Model NAO. Nachfolgend findet sich ein kurzer inhaltlicher Abriss der fünf Kapitel des Kurses RoboBase: 1. Kapitel ‚Was sind humanoide Roboter?‘ Neben einer Begriffsdefinition und Abgrenzung verschiedener Formen von ‚humanoiden Robotern‘, wird außerdem auf das ‚Uncanny Valley‘-Phänomen (Mori, 2012) eingegangen sowie die verschiedenen Einsatzgebiete unterschiedlicher humanoider Roboter vorgestellt. 2. Kapitel ‚Fähigkeiten humanoider Roboter‘ Dieses Kapitel widmet sich den verschiedenartigen Fähigkeiten humanoider Roboter. Einer allgemeineren Beschreibung folgt eine nähere Betrachtung am Beispiel des Roboter-Typs NAO. 3. Kapitel ‚Einführung in Choregraphe‘ Der für die Programmierung der NAO-Roboter genutzte visuelle Code-Editor Choregraphe wird in diesem Kapitel eingeführt. Im Fokus liegen der Aufbau und die Funktionen des Editors. 4. Kapitel ‚Beispielanwendungen‘ Im vierten Kapitel werden drei beispielhafte Anwendungen für den NAO-Roboter erklärt. Dabei stehen jeweils der Aufbau bzw. die Programmierung im Zentrum der Erklärungen. 5. Kapitel ‚Weiterführendes‘ Unter ‚Weiterführendes‘ finden die Kursteilnehmenden vergleichende Informationen zur Block- und Direktprogrammierung und technische Details zu Robotern. Darüber hinaus geht dieser Abschnitt des Kurses auf ethisch-moralische und soziale Herausforderungen ein und bietet nützliche Links zur Programmierung, Copyright und mehr. Der MOOC ist neben gängigen textuellen Information auch mit vielfältigen illustrierenden Bildern und Infografiken ausgestattet. Darüber hinaus wurden Informationsvideos externer Anbieter (Open Educational Resources – OER) sowie Eigenproduktionen eingebunden. Diese Videos sind mittels H5P um ein formatives Assessment ergänzt worden. Durch die richtige Beantwortung dieser in die Videos eingebunden Fragen können die SuS Badges5 erwerben. Ein Abschlusszertifikat zur Teilnahme wird nur nach anschließendem erfolgreichem Besuch des Robotikums ausgestellt. 5 Die Bezeichnungen der Badges wurden zielgruppengerecht für Kinder und Jugendliche ausgestaltet: KI-Experte, Roboter-Kenner, Choregraphe-Master, Naturtalent. 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen 56 Robotikum (RoboSchool) Das Robotikum ist ein drei-tägiges Praktikum im Workshop-Format, bei dem Schülerinnen und Schüler (SuS) sowie Lehrkräfte die Gelegenheit erhalten, mit humanoiden Robotern des Typs NAO erste praktische Erfahrungen in dem Bereich Künstliche Intelligenz zu sammeln. Während des Robotikums erlernen die Teilnehmenden die Steuerung der Roboter mittels Blockprogrammierung in dem visuellen Code-Editor Choregraphe6 (Aldebaran, o. J.). In angeleiteter Arbeit in Kleingruppen widmen sie sich den Bereichen Dialoge, Bewegungen, Bilderfassung und Emotionen. Sie entwickeln Applikationen für die Roboter und haben sogleich die Möglichkeit, ihre Programmabläufe am realen Objekt auf Tauglichkeit zu testen. Besonders wichtig ist es, den Lernenden dabei viel Spielraum für Kreativität zu lassen, sie aber auch bei Ihrem Lernprozess zu begleiten, um das Entdecken und Kennenlernen der Möglichkeiten in einem geschützten Raum zu situieren. So können auch die Grenzen humanoider Roboter gefahrlos ausgelotet werden. Beim projektbasierten Lernen stärken sie darüber hinaus auch ihre Fähigkeiten im kollaborativen Arbeiten in Kleingruppen. Zu den weiteren sogenannten ‚Softskills‘, die im Robotikum geschult werden können, gehören u. a. die Kommunikationsfähigkeit (in Team- und Kollaborationsarbeit), das Teamwork (durch die Gruppenarbeiten) sowie Präsentationskompetenzen (durch eine Abschlussvorführung ihrer finalen Gesamtprojekte im Workshop). Durch die Präsentation ihrer Abschlussprojekte werden diese vor einer Zuschauerschaft sichtbar und erlebbar gemacht. Diese externe Validierung ihrer Arbeitsergebnisse unterstützt die Selbstwirksamkeit, auch durch Wertschätzung ihres Arbeitsaufwands. So kann ein Bewusstsein des Stolzes mit der Arbeit, dem Endprodukt ihres Arbeitsprozesses und der Lerntätigkeit sowie dem Lerninhalt entwickelt werden, mit positiven Effekten auf die Einstellung zum MINT-Bereich (vgl. Zeaiter, 2016). Anhand eines Workbooks, mit vertiefenden Erklärungen, einfachen Anwendungsbeispielen und vielen Visualisierungen können Inhalte im Nachgang wiederholt und vertieft oder auch während des Arbeitsprozesses überprüft werden. Das Workbook steht sowohl analog in gedruckter Form zur Verfügung, als auch digital als E- Book mit Verlinkungen innerhalb des Buches und zu weiterführenden buchexternen Quellen. Neben dem Workbook stehen auch Arbeitshefte zur Verfügung mit schriftlichen Aufgabenstellungen. Diese Arbeitshefte wurden bereits, entsprechend des individualisierenden Projektansatzes, in drei verschiedenen Schwierigkeitsgraden (Einsteiger, Fortgeschrittene, Experten) ausdifferenziert. Für Einsteiger enthalten die Textaufgaben neben der Aufgabenstellung zusätzliche Hinweise sowie eine schriftliche Schritt-für-Schritt Anleitung zur Umsetzung und Aufgaben, arbeiten sich die SuS, unterstützt durch die Workshopleitenden, in ihre ersten Roboterprogrammierungen ein. Dabei sind keine Vorkenntnisse nötig, da für Einsteiger genügend Basiswissen über das Workbook sowie eine einleitende Präsentation vermittelt wird und die Auto- 7.3.2 6 Vergleichbach mit Blockly von Google (https://developers.google.com/blockly/) oder Scratch vom MIT Media Lab (https://scratch.mit.edu/). 7.3 Lehrkonzept 57 rensoftware Choregraphe die ersten Schritte in die Robotik vereinfacht, ergänzt im fortgeschrittenen Stadium durch einfache Python-Anwendungen. Zu Beginn des Workshops wird die Durchdringung der Inhalte von RoboBase mittels zwei formativer Assessment Formen überprüft. Zum einen werden Live-Voting-Anwendungen wie Pingo (http://pingo.upb.de) in Kombination mit den mobilen Endgeräten der Teilnehmenden oder der bereitgestellten Laptops eingesetzt, zum anderen werden kleine Aufgaben (z. B. das Implementierung von Dialogen oder Bewegungsabläufen auf dem humanoiden NAO-Robotern) bearbeitet. So können die Anwendungskompetenzen der SuS überprüft werden, um die Teilnehmenden wissensstandgerecht und individuell zu betreuen. Anhand der Ergebnisse ist es möglicher Schwierigkeiten im MOOC oder auch aus vergangenen Präsenzphasen gruppenspezifisch zu adressieren und die weiteren Übungseinheiten den Bedarfen der Teilnehmenden entsprechend zu gestalten. Das Robotikum nimmt sich folglich der Themen künstliche Intelligenz und Arbeitswelten der Zukunft auf ganz praktische Weise an. Bei der projektorientierten Arbeit ‚live‘ an humanoiden Robotern erfahren die Schülerinnen und Schüler hautnah, die Chancen und Herausforderungen dieser Technologie. Sie machen erste Erfahrungen im Bereich der Programmierung und können Berührungsängste und Vorurteile abbauen. Durch die aktive Arbeit können sie die Möglichkeiten der neuen Technologie erproben, aber auch gleichzeitig medial gestützte Mythen abbauen (Entmystifizierung), indem sie die Limitierungen der Technik bei der Arbeit im Workshop kennenlernen. Dadurch entstehen, neben den praktischen Erfahrungen, ein ausgewogenes Bild und ein tieferes Verständnis für die digitale Arbeitswelt, auf die sie zusteuern. Darüber hinaus erlernen die Teilnehmenden im Workshop die jeder Programmierung, unabhängig der genutzten Sprache, inhärente Programmlogik (algorithmisches Denken, Loops, Konditionen etc.) sowie die notwendigen Programmiergepflogenheiten (z.B. Codestrukturierung, Variablenbenennung, Fehlerquellen im Coding). Zusätzlich werden die SuS im Umgang sowohl mit den eingesetzten Laptops (u.a. Ordnerstrukturen, Benennungslogik von Dateien, Shortcuts) als auch mit den Robotern (Dialogführung, technische Eigenschaften, Bewegungsfreiheit, Fehlerquellen im Einsatz, Troubleshooting etc.) geschult. Durch das Konzipieren eigener verbale und non-verbale Interaktionen erhalten sie Einblicke in die Mensch-Roboter-Interaktion. Dies wirft darüber hinaus Fragen moralisch-ethischer und gesellschaftlicher Natur7 auf, die in diesem Zusammenhand sowohl auf einer theoretisch-abstrakten als auch auf einer ganz konkret-praktischen Ebene diskutiert und erörtert werden können. Pilot-Formate Seit dem offiziellen Start des Forschungsprojekts RoboPraX im März 2019 wurde nicht nur an der Invertierung und den Materialien sowie dem Forschungsdesign gearbeitet, sondern auch mehrere Pilot-Versuche mit unterschiedlichen Altersgruppen 7 Klassische Fragen sind hier u. a.: Werden Roboter den Menschen ersetzten? Wie menschlich darf ein Roboter sein? Was unterscheidet Mensch und Maschine? etc. 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen 58 durchgeführt. Hintergrund hierfür waren vermehrte Anfragen von jüngeren Interessentengruppen. Nachfolgend werden drei Piloten kurz beschrieben: – Hortgruppe (7–10-jährige) Das Robotikum wurde für die Hortgruppe (9 SuS am Ende des Schuljahres, 2.-4. Klasse) auf eine sehr begrenzte Menge an spezifischen Inhalten reduziert, welche dann vereinfacht in einem 4-stündigen Workshop altersgerecht aufbereitet und dargelegt wurden, in Rahmen des Sommerferienprogramms des Horts. Damit das Konzept überhaupt umsetzbar wurde, war ein besonderer Betreuungsaufwand (eine Betreuungsperson pro Gruppe) von Nöten. Die Aufgaben wurden so gestaltet, dass sie auch eine haptische Komponente über das SMART-Board beinhalteten, die im Plenum gemeinschaftlich gelöst wurde. Zusätzlich wurden regelmäßige Pausen sowie Freiräume zur Erholung eingeplant, um den Bedürfnissen der Zielgruppe gerecht zu werden. Unter den geschilderten Voraussetzungen verlief dieser Pilot außerordentlich positiv. Laut Rückmeldungen der Hortleitung sprachen die Kinder noch Monate nach dem Workshop mit Begeisterung von ihren Erfahrungen im Robotikum. – Girls‘ Day (10–13-jährige) Im Rahmen des Projektziels der Mädchenförderung im MINT-Bereich, bot es sich an, einen ersten Versuch einer reinen Mädchengruppe zum Girls‘ Day zu starten. Die Gruppe des eintägigen Workshops (14 Mädchen) wies sowohl in der Altersstruktur, als auch in der persönlichen Motivation eine relative Heterogenität auf. Die Hortgruppe war, bezogen auf die Altersstrukturstärker, ebenfalls sehr heterogen, allerdings waren die Kinder bereits aus dem Hort vertraut miteinander und kamen von der gleichen Schule. Die Heterogenität mach sich stärker beim Girls‘ Day manifestiert haben, da die Mädchen hier sich überwiegend nicht kannten und darüber hinaus noch von verschiedensten Schulen kamen. Die Workshopleitenden gaben in ihrer Selbstreflexion zum Workshop an, dass die Aussagen der Teilnehmerinnen die angenommenen Hemmschwellen für Mädchen beim Engagement im MINT-Bereich bestätigen würden (jungendominiertes Feld – abgeschreckt von Technik etc.). Diese Beobachtungen und Aussagen bestärken die Notwendigkeit weiterer Angebote für Mädchen zu implementieren. – Gruppe des Marburger Mediencamps (11–16-jährige) Durch eine Vorstellung des Robotikums im Marburger *klick* Netzwerk Medienkompetenz8 wurde das Medienzentrum und das Jugendbildungswerk auf das Robotikum aufmerksam, so dass eine erste Zusammenarbeit als Teil des in den Herbstferien angebotenen Mediencamps geplant wurde. Bei dieser Gruppe (8 SuS) wurde das Team des Robotikums mit der bisher größten Heterogenität (Alter, Schulen etc.) konfrontiert. Hierbei wirkte sich positiv aus, dass die Gruppe im Rahmen der vorange- 8 https://www.marburg.de/portal/seiten/-klick-netzwerk-medienkompetenz-900000067-23001.html 7.3 Lehrkonzept 59 gangenen Teile des Mediencamps bereits Zeit hatte zusammenzuwachsen. Es herrschte also eine gewisse Vertrautheit vor, zusätzlich arbeiteten die SuS überwiegend in relativ homogenen Altersgruppen sowie in einer selbstgewählten Geschlechtertrennung. Dieses Phänomen konnte zuvor schon in den regulären Robotika beobachtet werden und soll zukünftig in den Beobachtungsfokus genommen werden. Die SuS bearbeiteten in diesem Ganztagesworkshop sowohl Dialoge als auch Bewegungen. Das eintägige Robotikums-Konzept wurde von allen Teilnehmenden ausnahmslos positiv bewertet (sowohl bei der abschließenden Evaluation im Gruppengespräch bzw. Feedbackrunde als auch im anonymen Voting). RoboTeach Im Projekt wurde zur Ergänzung der bestehenden Konzeption ein weiteres Workshop- Format dem Projektportfolio hinzugefügt: RoboTeach. Die Zielgruppe für dieses Konzept sind Lehramtsstudierende sowie (zukünftig) vollausgebildete Lehrkräfte im Schuldienst. Ziel ist es, langfristig die didaktischen Einsatzmöglichkeiten des Robotikums in Schulen aus dem Projekt-Status zu heben und in den Regelbetrieb zu integrieren. Hierzu benötigt es aus- bzw. weitergebildetes Lehrpersonal. Deshalb wurde zum Wintersemester 2019 RoboTeach als Pilotversuch im Lehramtsstudium9 der Philipps-Universität Marburg integriert. Im Rahmen des Moduls ‚New Media in Foreign Language Teaching‘ (6 ECTS) können Studierende nun RoboTeach belegen, um das gesamte oder auch Teile des Moduls abzudecken. Auch RoboTeach besteht aus dem bereits beschriebenen Online-Vorkurs Robo- Base, zur Einführung in die Grundlagen (humanoider) Robotik sowie in die didaktischen Prinzipien des Robotereinsatzes in der Bildung. Dem MOOC schließt sich ebenfalls das Robotikum als Blockveranstaltung an. Um die Studienleistung im Modul erfolgreich abzuleisten, müssen die Studierenden den MOOC vor dem ersten Blocktermin des Robotikums vollständig durcharbeiten, inklusive des formativen Assessments (belegt durch den Erwerb aller Badges sowie der Live-Voting Abfragen im Robotikum mittels Pingo). Die Blocksitzungen des Robotikums finden jeweils an vier jeweils 4-stündigen Präsenzterminen (1–2 Wochenrhythmus). Der Kurs wird durch einen fünften Präsenztermin beendet, bei dem die individuellen Abschlussprojekte der Studierenden (Prüfungsleistung) vorgestellt werden. Hierfür müssen die Studierenden innerhalb von 6 Wochen unterrichtsbezogene Anwendungen aus ihrer jeweiligen Fachperspektive entwickeln und am Roboter umsetzen. Ihnen wird innerhalb dieser Zeit natürlich regelmäßig Zugang zu den Robotern gewährt, da sich einige Aspekte nur am Live-Roboter umsetzen und testen lassen. Die Planung der Roboter- Termine erfolgt individuell und selbstgesteuert anhand von vorher festgelegten Zeitslots. Zum ersten Präsenztermin haben die Studierenden ein Arbeitsblatt mit ihrem Projektauftrag und einem Bewertungsschema erhalten (Transparenz der Bewertung). 7.3.3 9 Fachbereich 10 – Fremdsprachliche Philologien: Institut für Anglistik und Amerikanistik (Lehramt English) 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen 60 Die Projekte werden eigenständig von den Teilnehmenden entwickelt und sind inhaltlich nicht beschränkt (kreative Freiheit). Zur Prüfungsleistung gehört: – eine Projektskizze, – ein funktionierendes Programm, – eine Flowchart – die live Präsentation der Applikation am Roboter, – eine 1-Seite Projektreflexion (Vorgehen, Probleme) – sowie eine 1-Seite medien-didaktische Reflexion zur Nutzung humanoider Roboter im Schulunterricht. Ziel ist es mit diesem Workshop-Konzept, zukünftige und aktive Lehrkräfte, ähnlich den SuS, an die Anforderungen und Möglichkeiten einer digitalisierten Zukunft heranzuführen. Sie sollen ein Verständnis für die benötigten Problemlösungsstrategien entwickeln, damit sie in die Lage versetzt werden, diese SuS adäquat zu vermitteln. Auch das algorithmische Denken der (angehenden) Lehrkräfte soll weiter geschult werden. Allgemeine Aspekte der Digitalisierung, wie etwa Datenorganisation, Datensicherheit, Lizensierungsmodelle, Medientechnik, Multimedia und Künstliche Intelligenz werden so mittels der eingesetzten Roboter praktisch erfahrbar. Durch das Durchlaufen des Workshop-Konzepts analog zu den SuS, können die (zukünftigen) Lehrkräfte den Lernprozess der SuS live nachempfinden und ein besseres Verständnis dafür entwickeln. Die Kursteilnehmenden erstellen Mensch-Maschine Kommunikationen und erlernen dabei die notwendigen Dialogprinzipien, ihr Verständnis für die Bewegungsmöglichkeiten dieser humanoiden Maschinen wird erweitert und sie werden vertraut gemacht mit der Objekterkennung und möglichen schulischen Einsatzgebieten. Dadurch wird die algorithmische Steuerung komplexer Abläufe begreifbar. Darüber hinaus werden die bereits beschriebenen informatischen Kenntnisse, wie Programmlogiken, Programmorganisation sowie Urheberrechtsreglungen bei der Mediennutzung vertieft. Der didaktische Fokus von RoboTeach, neben dem technischen und informatischen Wissen und Fertigkeiten, ist eine zusätzliche Komponente, die im Bereich RoboSchool natürlich entfällt. Für RoboTeach allerdings ist die didaktische Reflexion des Lehrkonzepts Robotikum sowie der kritisch-konstruktiven Umgang mit dem Thema Digitalisierung in der Bildung und Robotik (auch gesamtgesellschaftlich betrachtet) ein Kernelement Forschung und (Weiter-)Entwicklung In den nachfolgenden Abschnitten werden das Forschungskonzept zur Evaluation und Qualitätssicherung im Projekt vorgestellt (RoboEval), sowie das evidenzbasierte Anpassungskonzept (RoboFit). 7.4 7.4 Forschung und (Weiter-)Entwicklung 61 RoboEval Das explorative Forschungskonzept in RoboPraX verfolgt überwiegend einen qualitativen Ansatz, da es sich hintergründig mit der Frage nach dem ‚Warum‘ beschäftigt und Ursache und Wirkung analysieren will. Der Ansatz ist in der Aktions- (von Rosenstiel, Hockel & Molt, 1994) und Interventionsforschung (Krainer & Lerchster, 2012) situiert, weshalb keine Labor- oder Testsettings untersucht werden, sondern praktische Umsetzungen im realen Alltagsgeschäft von Schulen. Die Befragungen werden zyklisch durchgeführt, was zum einen in der Natur des Workshops begründet ist, zum anderen aber auch seine Wurzeln in einem der Grounded Theory (Glaser & Strauss, 1967) nachempfundenen Forschungsdesign findet. Der empirische, inkrementelle und iterative Prozess kann verglichen werden mit agilen Prozessen aus dem Projektmanagement, wie dem SCRUM mit seinen Sprints (Scrum Alliance, 2013a & 2013b). Die verschiedenen Befragungen dienen zum einen als Mittel zur Qualitätssicherung in der Evaluierungsphase (RoboEval). Zum andern sollen auch Kompetenztests sowie Akzeptanzstudien durchgeführt werden. Weiterhin sind Interviews mit allen Stakeholdern des Bildungsapparats vorgesehen, um das Workshopkonzept den Bedarfen der Schulen anzupassen. Die Erhebungen unter den Schülerinnen und Schülern finden in drei verschiedenen Phasen statt: – Phase I (vor dem MOOC): Erstellung einer Baseline, einschließlich eines Akzeptanztests und einer vergleichenden Kompetenzaufgabe (Teil I). – Phase II (nach dem MOOC/zu Beginn des Robotikums): Bewertung des MOOC und seiner Wirksamkeit durch Kompetenz- und Wissenstests sowie Akzeptanztests. – Phase III (zum Ende des Workshops): Bewertung des Workshops und seiner Wirksamkeit -vergleichende Kompetenzaufgabe (Teil II) (inkl. Bewertung der Abschlussprojekte) sowie ein abschließender Akzeptanztest. Dieser nutzerzentrierte Ansatz wird durch teilnehmende Beobachtungen ergänzt. Hierbei werden die Workshopleitenden in die Beobachtungen inkludiert und ergänzen das Bild durch schriftliche Selbstreflexionen. Die Ebene des Bildungsmanagements und der Verwaltung des Bildungssektors wird durch Interviews mit allen relevanten Akteuren abgedeckt, um ein umfassendes Bild des Status Quo zu erhalten sowie strukturelle Faktoren zu identifiziert, die die Umsetzung und Übertragbarkeit des Konzepts unterstützen oder behindern können. RoboFit Die in den Evaluationsphasen gesammelten Informationen werden konstruktiv für den Anpassungs- und Weiterentwicklungsprozess genutzt. Diese Projektkomponente trägt die Bezeichnung RoboFit. Im iterativen Prozess erfahren die Interventionen regelmäßig notwendige Programmanpassungen, die sicherstellen sollen, dass das Pro- 7.4.1 7.4.2 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen 62 jekt RoboPraX die Eckpfeiler der von der Bundesregierung formulierten Strategie für künstliche Intelligenz erfüllt (Bundesregierung, 2018) und sich bedarfsgerecht ins Schulcurriculum einpasst. So soll eine nachhaltige Verankerung des Konzepts der MINT-Förderung mittels humanoider Roboter im schulischen Regelbetrieb erreicht werden. Öffentlichkeitsarbeit / Wissenschaftskommunikation Um das Projekt weiter auszubauen und gesellschaftlich zu verankern, sollen die praktischen ersten Schritte hin zu einer zukunftswirksamen Nutzung der Digitalisierung in der Bildung auch der Öffentlichkeit vermittelt werden. Dieses Anliegen wird begleitet von einem stetigen Bestreben nach einer Ausweitung des bereits bestehenden Netzwerkes in den Bereichen MINT-Förderung, Digitalisierung und Robotik in der Lehre. Im Rahmen dessen werden Projekte bzw. Anknüpfpunkte für einen überregionalen Austausch offensive verfolgt. So kam es auch zur Teilnahme an dem BMBF-geförderten Hochschulwettbewerb von Wissenschaft im Dialog (Hochschulwettbewerb, 2019a) im Rahmen des Wissenschaftsjahrs 2019 – Künstliche Intelligenz (Wissenschaftsjahr, 2019). Der Wettbewerb fördert Kommunikationskonzepte zur Verbreitung wissenschaftlicher Erkenntnisse und Projekte in der Bevölkerung, um so einen gesellschaftlichen Dialog zu befruchten. Das Robotikum gehörte zu den 15 Gewinnern des Hochschulwettbewerbs und wurde Anfang Dezember 2019 darüber hinaus als eine der drei besten Umsetzungen prämiert (Hochschulwettbewerb, 2019b). Im Zentrum des von der Projektkoordinatorin von RoboPraX, Sabrina Zeaiter, und den studentischen Hilfskräften im Team entwickelte Kommunikationskonzept steht eine Art ‚mobile Speech Box‘, ein durchsichtiges Iglu (Abb. 2). Dieses Iglu bildet als Messestand nicht nur einen ‚Eyecatcher‘, sondern dient auch dazu, auf Messen und Tagen der offenen Tür etc. aus einem öffentlichen Raum einen privateren zu schaffen, der eine angenehme und stressfreie Gesprächsatmosphäre bietet, aber gleichzeitig der Öffentlichkeit visuell zugänglich ist. Dadurch können Interessierte ungestört das Projekt mit seinen humanoiden Robotern, deren Fähigkeiten und den damit verbunden Möglichkeiten kennenlernen. 7.5 Iglu-Einsatz bei der Eröffnung des Digital Campus Hammerbrooklyn in Hamburg Abb. 2: 7.5 Öffentlichkeitsarbeit / Wissenschaftskommunikation 63 Flankiert werden diese Live-Begegnungen durch digitale (Videos / Präsentationen) und analoge Elemente (Postkarten / Flyer) (Abb. 3), welche den NAO-Roboter auf Weltreise zeigen und das Projekt vorstellen, verbreitet analog und über die Sozialen Medien. So sind nicht nur große Zielgruppen erreichbar, sondern die soziale Komponente der Roboter wird zusätzlich noch unterstrichen. Im Rahmen der Konzeptumsetzung ging das Projekt-Iglu in der Bundesrepublik auf Wanderschaft. Sogenannte Mini-Robotika gepaart mit einer ‚show and tell‘-Komponente kamen in den Schulkinowochen, bei Tagen der offenen Tür an Schulen, bei Messen und Konferenzen bzw. Tagungen etc. zum Einsatz. Auch das 1,2 m große Roboter-Model Pepper wurde bei einigen Events eingesetzt, insbesondere, um die derzeitigen Einsatzgebiete humanoider Roboter im Bereich Bildung, im Finanzsektor (Sparkasse), in der Pflege und bei Tagungen zu beschreiben Zukünftige Entwicklungen Zu den bereits geplanten Weiterentwicklungen des Projektes gehört es, die eingesetzten Materialien bedarfsgerecht zu gestalten und auszudifferenzieren. In diesem Sinne wurde im Herbst bereits der MOOC RoboBase in einer zweiten Version ausgestaltet, mit einem angepassten Schwierigkeitsgrad, so dass der MOOC nun in einer Version für sowohl SuS der Mittel- als auch zur Verfügung steht. Zu diesem Zweck wurden zielgruppenspezifische inhaltliche und sprachliche Anpassungen vorgenommen. Diese Ausdifferenzierung des MOOC-Vorkurses sowie der unterstützenden Unterrichtsmaterialien (Workbook & Arbeitshefte) soll zukünftig intensiviert werden. Als nächste Schritte sind Kurse zur Abdeckung der verschiedenen Versionen des Roboters NAO (V5 und V6) geplant, da hier z. T. unterschiedlichen Programmieranforderun- Eine der Weihnachtskarten des Projekts. Abb. 3.: 7.6 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen 64 gen im Raum stehen. Weiterhin wird über eine Ausgestaltung des MOOCs und aller weiteren Unterrichtsmaterialien in englischer Sprache nachgedacht. Zunächst sollen jedoch die bestehenden Materialien den iterativen Evaluations- und Qualitätssicherungsprozess durchlaufen. Außerdem wird zeitgleich an einer Anpassung der Workshop-Formate an die ersten Ideen aus den teilnehmenden Schulen gearbeitet (z. B. 1-tages Workshop, kürzere wöchentliche Termine im Nachmittagsprogramm von Ganztagsschulen, ein wanderndes Robotikum mit Ausleihsystem etc.) sowie an der Ausweitung auf neue, jüngere Zielgruppen. Auch hierfür ist eine adäquate, bedarfsorientierte Ausgestaltung der Unterrichtsmaterialien notwendig. Nach ersten Gesprächen mit Lehrkräften konnten bereits Partner für die Entwicklung sogenannter Mikroprojekte gefunden werden. Hierbei handelt es sich um Projektaufgaben, die im Fachunterricht eingesetzt bzw. begonnen werden und ihre finale Umsetzung dann im Robotikum finden. Auch wurde der Wunsch geäußert, ein erstes RoboTeach für bereits im Schuldienst tätige Lehrerinnen und Lehrer anzubieten. Dies befindet sich im ersten Planungsstadium. Und abschließend sei erwähnt, dass bereits an einer Erweiterung des derzeit in nur Marburg verankerten Robotikums in zwei Landkreise in Arbeit ist und, so die haushaltlichen Entscheidungen denn positive ausfallen, in 2020 umgesetzt werden können. Literaturverzeichnis Aldebaran. (o. J.). Aldebaran Documentation. Verfügbar unter: http://doc.aldebaran.com/2-4/ software/choregraphe/index.html. BMBF. (2019). Digitalisierung im Bildungsbereich – Grundsatzfragen und Gelingensbedingungen – EBF. 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Marburg: Tectum Wissenschaftsverlag. 105–113. 7 RoboPraX – MINT-Förderung in Schulen 66

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References

Zusammenfassung

Die Inverted Classroom Fachtagung hat sich zu einem willkommenen Forum zum Austausch über das Lehren und Lernen im 21. Jahrhundert für die deutschsprachige Gemeinschaft von Lehrkräften, Experten und Interessierten entwickelt, die sich der Digitalisierung der Lehre verschrieben haben. 2019 fand die achte und vorerst letzte „Inverted Classroom Konferenz“ in Marburg statt. Der Fokus lag diesmal auf den nächsten Schritten in der Entwicklung von Lehren und Lernen in der digitalen Zukunft. Themen wie Blockchain, Open Educational Resources, MOOCs oder auch Makerspaces kamen in den Fokus.

Die Autorinnen und Autoren beschäftigen sich in ihren Artikeln mit dem Inverted Classroom in der Lehramtsbildung, dem wirkungsvollen Einsatz von Wikis oder Badge-Systemen, wie Inklusion und ICM sich gegenseitig befruchten können, aber auch mit Flipped Lab Szenarien und dem Einsatz von humanoiden Robotern in der Schulbildung und der Hochschullehre. Darüber hinaus gibt es Beiträge, die sich mit dem digitalen Lehren und Lernen im Ganzen beschäftigen oder auch das Thema ICM und Nachhaltigkeit betrachten.

Der Tagungsband fasst folglich nicht nur die Ergebnisse dieser 8. Fachtagung zusammen, sondern bietet neben ausgewählten Fallstudien und Untersuchungen im Praxiskontext auch einen Einblick in die Zukunft der Digitalisierung der Lehre im Allgemeinen und der Rolle, die der Inverted Classroom hierbei spielen kann.