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Coding

Programmieren in der physischen Welt

Thomas Garaio

Nachhaltig und trotzdem schön: die Oxocard wird mit Kartongehäuse geliefert

Im Mai 2017 fand ein Feldversuch mit 57 Schülerinnen und Schülern der Berner Grundschule Lorraine statt, bei der während einer Woche die gesamte Oberstufe mit einem ungewohnten Informatikunterricht konfrontiert wurde. Programmiert wurden keine PCs oder Web-Browser, sondern ein kleiner postkartengroßer Einplatinencomputer, die Oxocard. Dieser Kleinstcomputer enthält einen Computerchip (CPU), der vor allem in eingebetteten Systemen verwendet wird.

Die Art der CPUs, wie wir sie neben der Oxocard, dem Microbit oder den vielen Arduino-Boards sehen, ist hocheffizient, klein, spezialisiert und eröffnet eine neue Generation von Computeranwendungen, die mittlerweile allgegenwärtig sind. Wenn wir morgens aus dem Haus laufen, haben wir schon diverse davon in Aktion gesehen. Sei es beim Wecker, der elektrischen Zahnbürste, der Kaffeemaschine, dem Fahrstuhl, dem Treppenhauslicht oder auf dem Fahrrad mit dem blinkenden Rücklicht. Unscheinbar sind sie und kaum mehr wegzudenken, diese kleinen Helfer. Neben den Geräten, die uns sofort als Computer erscheinen, wie Notebooks, Tablets, PCs oder unser Smartphone, sind sie versteckt eingebaut, angepasst und funktional verknüpft mit einer spezifischen Anwendungen, wie dem Brühen eines perfekten Espressos. Aktuell findet in der Computerwelt und in dem Zusammenhang eine Revolution statt, die das Internet der Dinge hervorgebracht hat. Vereinfacht gesagt, bedeutet dies, dass die Geräte unserer Umwelt sich miteinander und mit dem Internet verknüpfen warden, um Informationen austauschen. Viele behaupten, dass diese technologische Evolution so eruptiv sein wird wie das Internet und der Web-Browser.

Bei der Schulung in der Lorraine haben wir festgestellt, dass Jugendliche sehr affin auf diese Art des Computings sind. Obwohl es schon einige Jahre solche Kleincomputer gibt, sind sie immer noch zu selten vertreten und genießen dadurch einen gewissen Attraktionsstatus. Es ist auch verständlich, da wir in den letzten Jahren, dank unserer Smartphones, Computer vor allem dadurch bedienen, dass wir mit einem oder zwei Fingern auf einer Glasplatte hin- und herschieben. Die Haptik, also das Gefühl, neben Glas auch andere Materialien und Oberflächen zu erfühlen, Taster mit einem Druckpunkt zu spüren und auch zu sehen, wie Bilder aus einfachsten LEDs zusammengeknüpft werden, erlaubt einen anderen Zugang zur Materie. Dass die Oxocard dabei in ein Kartongehäuse eingefasst ist, hat nichts mit Retro zu tun, sondern soll zeigen, dass es auch ohne Plastik und mit einem verantwortungsvollen Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen einhergehen kann.

Der Feldversuch hat drei wichtige Erkenntnisse hervorgebracht. Erstens hat uns die Aufmerksamkeit überrascht. Von den 57 Teilnehmenden hatten wir am zweitletzten Tag einzig eine Person, die nicht mehr programmieren mochte.

Mit dieser Aufmerksamkeit ist es zweitens möglich, ein Grundverständnis für Medien und Informatik flächendeckend allen Schülerinnen und Schülern mitzugeben, auch solchen, die gar keine oder wenig Grundbereitschaft mitbringen. Dieser Effekt hat drittens dazu geführt, dass verschiedene Berufswünsche teilweise hinterfragt wurden. Eine Schülerin meinte auf die Frage, ob sie sich nach dem Kurs auch einen technischen Beruf vorstellen könnte, dass sie sich dies durchaus vorstellen könnte.

Es ist zu erwarten, dass das Internet der Dinge alle Lebensbereiche gleichermaßen vernetzen und nachhaltig verändern wird. Man spricht von Homeautomation, Smartcities oder dem vielgehörten Begriff Industrie 4.0. Alle Berufsschichten werden damit in irgendeiner Form konfrontiert werden. Wenn wir uns in Europa vor dem amerikanischen oder chinesischen Übereifer im Bereich Forschung, aber auch Produktentwicklung, schützen wollen, investieren wir besser heute in die nächste Generation. Unsere Kids danken es uns schon jetzt und der Wirtschaft wird das auch guttun.

Kommunikationsbeispiel mit Blockly

Mit der visuellen Programmiersprache Blockly lassen sich auch anspruchsvollere Projekte einfach umsetzen

In der Schweiz ist seit dem neuen Lehrplan das Fach Medien und Informatik Pflicht, wobei man herausfand, dass Blockprogrammiersprachen wie Scratch oder Blockly geeigneter scheinen, als die in der Industrie üblichen Textprogrammiersprachen, wie Java, Python oder C++.

Will man in der Schule Internet-Kommunikation thematisieren, ist zudem die Flughöhe entscheidend. Es hat sich gezeigt, dass die Lernenden am meisten profitieren, wenn man strikt von der Anwendung ausgeht und die zugrundeliegenden technischen Konzepte später erörtert oder ganz weglässt. Das bedeutet beispielsweise, dass weder Internet-Protokolle, Sicherheitsaspekte noch Namensserver thematisiert werden. Stattdessen lernt man, in welchen Schritten eine Kommunikation abläuft, wie Daten übertragen werden und was man damit praktisch umsetzen kann.

Ein bekannter Informatik-Professor der ETH Zürich hat den Ansatz einmal als „reine Informatik“ bezeichnet und meinte damit, dass bei der Oxocard die Anwendung im Zentrum steht und nicht abstraktes, theoretisches Informatik-Wissen.

Hierzu haben wir zwei Beispiele.

Das erste Beispiel „Lies Temperatur“ zeigt, wie man Daten aus dem Internet für eigene Projekte nutzen kann. In dem Fall wird die Temperatur von Bern gelesen und auf dem Bildschirm angezeigt.

Man sieht an dem Beispiel, dass auch Nicht-Informatiker die Essenz sofort erfassen können, wodurch diese Umgebung auch in der Grundschule, wo keine ausgebildeten Informatiker verfügbar sind, einsetzbar wird. Die Anforderungen an die Lehrpersonen beschränkt sich auf wenige Grundlagen, wie beispielsweise der Begriff der Variablen, der aus dem Algebra-Unterricht den meisten Schülerinnen und Schülern ja schon bekannt ist. Selbst ohne dieses Wissen lassen sich solche Beispiele ohne Probleme im Klassenverbund umsetzen.

Das zweite Beispiel „Sende Nachricht“/ „Empfange Nachricht“ zeigt, wie zwei Karten Daten miteinander über das Internet austauschen können. Es wird meistens als Vorlage genutzt mit der Schülerinnen und Schüler eigene Versuche starten. Hierbei können jeweils zwei unabhängige Karten programmiert und dann miteinander in Interaktion gebracht werden. Neben praktischen Experimenten, wie beispielsweise das Sammeln von Temperaturdaten an verschiedenen Orten, sind auf dieser einfachen Basis bereits beindruckend anspruchsvolle Experimente möglich, ohne die Beteiligten zu überfordern. Denkbare Anwendungen sind Abstimmungen, Multiple-Choice-Umfragen, Datensammlung und -aufbereitung oder Kunstinstallationen.

Kommunikation ist ein sehr zentrales Thema und der Umgang und das Verständnis damit ist wichtig, nur nicht im Grundschulalter.

Lernumgebung für Gymnasien

Auf gymnasialer Stufe finden wir ganz andere Voraussetzungen, welche den Einsatz textbasierter Programmierumgebungen ermöglichen. Eine sehr beliebte Programmiersprache an Hochschulen ist Python, welche vom holländischen Informatiker Guido van Rossum vor über 25 Jahren entwickelt wurde und heute attraktiver denn je ist.

Python ist eine interpretierte Sprache, welche direkt auf der Oxocard übersetzt und ausgeführt wird. Es ist im Prinzip keine zusätzliche Programmierumgebung erforderlich und man hat Zugriff auf die komplette Hardware, welche die Elektronik bietet.

Tigerjython ist eine Freeware-Umgebung für die bekannte Python-Programmiersprache. Sie läuft auf Mac und PC und kann neu auch für die Oxocard eingesetzt werden

Auf der kostenlosen Plattform tigerjython4kids.ch finden sich neben einer Einführung vor allem auch viele Beispiele aus dem Bereich des Internets der Dinge.

Oxocard – der leistungs­fähigste Kleincomputer im Kartongehäuse

Die Oxocard wurde vom Schweizer Startup Oxon anlässlich des Swiss Economic Forums 2017 lanciert und ist seit Mai 2018 in einer leistungsfähigen WiFi-Ver­sion verfügbar. Der eingebaute Chip kann mit verschiedenen Programmiersprachen programmiert werden, u. a. mit Blockly, Python oder C++. Neben WiFi und Bluetooth hat die Oxocard einen Beschleunigungs- und Temperatursensor, sowie Mikrofon und Kopfhörer eingebaut.

Ein Novum in dieser Produktkategorie ist klar die Vernetzung der Karten mit dem Internet. Neben einfachen Beispielen, wie das Abfragen von Wetterdaten, können auch anspruchsvollere Projekte, wie ein Internet-Radio oder sogar ein Internet-Telefon realisiert werden.

Für Anfänger stehen viele kostenlose Arbeitsblätter aus dem Internet zur Verfügung. Für die Oberstufe ist zudem das Lehrmittel „Achtung, fertig, Code! Programmieren mit der Oxocard“ im hep verlag, Bern, erschienen.

Die Oxocard ist Preisträger des renommierten World Didac Awards 2018.

Bezugsquelle: www.oxocard.ch

Weitere Links:

https://www.hep-verlag.ch/achtung-fertig-code/

http://www.tigerjython4kids.ch

Coding

Microcontroller-Einsatz im Unterricht

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