Arbeitsblatt: Roboter im Alltag

minterleben.lu.ch «Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen?» Stufe: Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? Dauer: 6-7 Doppellektionen Roboter und die damit verbundenen Themen wie Technik, Programmieren und künstliche Intelligenz, halten immer mehr Einzug in unserem Alltag und in unserer Gesellschaft. Der Computer, als digitales Medium oder Arbeitswerkzeug genutzt, gehört für viele von uns zum täglichen Leben.Roboter erfüllen bestimmte Funktionen in diversen Arbeitsbereichen. Dies insbesondere dann, wenn die Arbeit monoton, anstrengend oder besonders gefährlich ist. Ausserdem helfen uns Roboter unerschlossene und schwer zugängliche Gebiete zu erforschen. Ziel ist dabei meist eine Effizienzsteigerung und damit die Kostenreduktion. Die vorliegende Unterrichtseinheit zielt darauf ab, dass Schülerinnen und Schüler diese Entwicklung aktiv verfolgen, kritisch hinterfragen und grundlegende Konzepte verstehen können. Die Unterrichtseinheit lässt die Lernenden aktiv und mit interdisziplinären Ansätzen Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? diese Einheit erfahren. Der Lehrperson steht es dabei offen, inwiefern sie den Schwerpunkt mehr in Richtung Informatik, Elektrotechnik oder Maschinenbau legen möchte. Hinweis zum Robotermodell In der folgenden Unterrichtseinheit wird mit dem Robotermodell LEGO Mindstorms EV3 Education 5003400#ev3-set) oder LEGO Education SPIKE %E2%84%A2-prime) prime gearbeitet. Das käufliche Erwerben empfehlen wir via educatec.ch oder bischoff-ag.ch Achtung: LEGO Mindstorms EV3 werden nicht mehr hergestellt, sind aber aktuell noch zu kaufen und werden weiterhin supportet. Die Unterrichtseinheit kann auf folgender Software ausgeführt werden: Software LEGO Mindstorms Education EV3 (v. 1.4.5) auf. Die Software (v.1.4.5) kann bei Lego Education kostenlos heruntergeladen werden:Link Download. software) Software LEGO Classroom (Für EV3 die App steht im Microsoft-Store zur Verfügung oder auf der Webseite von LEGO) Software LEGO SPIKE (Für SPIKE Prime die App steht im Microsoft-Store zur Verfügung oder auf der Webseite von LEGO) Die Aufgabenstellungen können auch mit anderen Robotermodellen durchgeführt werden. Dazu kann die Lehrperson die entsprechenden Bausteine in den Teilproblemstellungen auf die Programmierumgebung bzw. das Robotermodell anpassen. LEGO Mindstorms EV3 Education,LEGO Education SPIKE Prime und weitere Robotermodelle können für den Einsatz im Unterricht bei den folgenden Stellen ausgeliehen werden: PH Luzern – Zentrum Medienbildung und Informatik Weitere Angebote zum Thema Robotik finden Sie auf der Webseite des RobertaRegioZentrums Luzern Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 2 Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 3 1. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? Informationen für Lehrpersonen Lernform: Einzelarbeit, Gruppenarbeit, Partnerarbeit (PA), Plenum, Input Material: Lehrplanbezug: MINT.6 Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler (SuS) können anhand des Filmes. .erste Vermutungen zur übergeordneten Fragestellung anstellen. .erste Facetten der Thematik erfassen. Weiterführende Informationen Der Einstiegsfilm dient als Annäherung zur übergeordneten Fragestellung. Idealerweise sollen Schülerinnen und Schüler zuerst über die übergeordnete Fragestellung nachdenken. Anschliessend kann der Film angeschaut werden, um den Schülerinnen und Schülern erste Informationen über das Thema im Sinne eines Advanced Organizers zu geben. Als roter Faden kann der Film im Laufe der Unterrichtseinheit immer wieder angeschaut werden. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 4 AUFGABE Schaue dir den Film an. Externer Inhalt: Dieses Video ist nur auf der Website von mint-erleben.lu.ch verfügbar Was denkst du? Wie können uns intelligente Maschinen unterstützen? Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 5 2. Wissenschaft und Gesellschaft Informationen für Lehrpersonen Lernform: Einzelarbeit, Plenum, Partnerarbeit (PA), Exkursion Material: Lehrplanbezug: Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler (SuS) können die Begriffe Robotik und künstliche Intelligenz mit konkreten Anwendungsbeispielen erklären. Chancen und Risiken von Robotern für die Gesellschaft beschreiben und analysieren. Weiterführende Informationen Roboter halten immer mehr Einzug in unserem Alltag und können uns z.B. monotone oder gefährliche Arbeit abnehmen. Auch dort, wo wir dies vielleicht auf den ersten Blick nicht vermuten würden: Haushalt, Industrie/Betriebe, Medizin, Forschung, Spielzimmer, Freizeit, Militär etc. Gefahren im Umgang mit Robotern und künstlicher Intelligenz Auf den ersten Blick bringen Roboter nur Vorteile mit sich. Doch insbesondere das Streben nach immer intelligenteren Robotern birgt auch Gefahren in sich: Arbeitslosigkeit: Wenn Roboter immer intelligenter werden, können sie auch immer mehr Arbeiten ausführen. So könnten im Jahr 2025 bereits 48% der Jobs in der Schweiz von Robotern ausgeführt werden. Zu diesem Schluss kommt etwa eine Studie im Auftrag des «ECO». Dies muss nicht zwingend negativ sein. Immerhin: Wenn die Wirtschaft weniger (menschliche) Arbeitskräfte braucht, können wir unsere Zeit für andere Dinge verwenden. Allerdings muss aufgepasst werden, dass sich die Welt nicht in eine Zweiklassengesellschaft aufteilt. Diejenigen die sich einen Roboter leisten können, der ihnen die Arbeit abnimmt und diejenigen die weiterhin arbeiten müssen (vgl. Levin, 2013; Strizel, 2015). Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 6 Technological Singularity: Gelingt es uns eine Maschine zu erzeugen, die intelligenter ist als jeder Mensch, sollte es dieser Maschine einfacher fallen, noch intelligentere Maschinen zu bauen. Es kommt ohne Frage zu einer Intelligenz-Explosion, die Intelligenz des Menschen bleibt dabei weit zurück, er wird «überholt» (vgl. Levin, 2013). Menschliche Evolution zum Cyborg: Cyborgs sind halb Maschine, halb Mensch. Es besteht die Gefahr, dass neuste Maschinen die Leistungsfähigkeit des Menschen übertreffen können. Der Mensch muss also zum Cyborg werden andernfalls wird er ebenfalls «überholt» (vgl. Levin, 2013). Ethisch fragwürdige Zwecke: Roboter werden zu ethisch fragwürdigen Zwecken eingesetzt, etwa zum Töten von Menschen. Eine solche Entwicklung kann heute allenfalls bei dem Einsatz von Drohnen oder anderen Kampfrobotern beobachtet werden. Allerdings sind diese bis jetzt noch von Menschenhand ferngesteuert und treffen Entscheidungen noch nicht autonom. Robotikgesetz Die nachfolgend aufgeführten Gesetze sollen vor Missbrauch und den damit verbundenen Gefahren der Robotik schützen. Prinzipiell gelten in der Robotik seit 1942 (nach dem Schriftsteller Isaac Asimov) folgende Gesetze (vgl. Hämmerle Tust, 2013, S. 28): 1. Ein Roboter darf keinen Menschen verletzen oder durch Untätigkeit zu Schaden kommen lassen. 2. Ein Roboter muss den Befehlen eines Menschen gehorchen – ausser sie widersprechen dem ersten Gesetz. 3. Ein Roboter muss sein eigenes Dasein schützen – solange dies nicht dem Gesetz eins oder zwei widerspricht. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 7 AUFGABE Schaut euch das Video von Brack Willisau unten ab 02:40-04:45min an und beantwortet die folgenden Fragen: Welche Arbeit führen die Roboter im Video aus? Wer hat dies früher gemacht? Welches Werkzeug wurde dazu benötigt? Wer steuert die Robotik im Video? Woher wissen diese Roboter, was sie tun sollen? Kennst du noch andere Roboter? Welche Arbeiten erledigen diese? Erkläre mit eigenen Worten, was alle Roboter gemeinsam haben. Das BRACK.CH-Logistikzentrum in Willisau LU im Porträt LÖSUNG individuelle Lösungen Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 8 AUFGABE Was ist ein Roboter und was verstehen wir unter künstlicher Intelligenz? Es gibt weltweit unterschiedliche Definitionsansätze des Begriffs «Roboter». Nachfolgend findest du zwei mögliche Definitionen. Möglichkeit 1: Definition über die Eigenschaften des Roboters. Ein Roboter ist ein künstliches Gerät, das seine Umgebung wahrnimmt und gezielt in und mit ihr agiert. Dies geschieht mit Hilfe von Sensoren und Aktoren. eine verkörperte künstliche Intelligenz (KI). eine Maschine, die selbstständig arbeiten kann. Möglichkeit 2: Definition über die Bestandteile eines Roboters: Steuerung: Mikrocontroller mit Prozessor, Software Kommunikation: Bluetooth o.ä. Aktoren: Motoren, Räder, Soundgenerator, LED Sensoren: Helligkeit, Druck, Infrarot, Mikrophon, Kamera Energieversorgung: Batterie, Akku, Solarpanels Grundsätzlich ist der Roboter also eine intelligente Maschine, die selbständig eine ihr aufgetragene Arbeit ausführen kann. Der Begriff «Künstliche Intelligenz» (kurz: KI) wird dir anhand der folgenden Videobeispiele erklärt: Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 9 Künstliche Intelligenz in 5 Minuten erklärt SIN - Künstliche Intelligenz kindgerecht erklärt Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 10 Löse nach dem Anschauen der beiden Videos das folgende Quiz zum Thema «Künstliche Intelligenz»: AUFGABE Beantwortet folgende Fragen zu zweit. Sucht dazu nach möglichen Antworten im Internet und erkundigt euch nach Zusatzunterlagen und Hinweisen bei eurer Lehrperson: Grüner Roboter. Quelle: openclipart 1. Wo begegnen uns Roboter im Alltag überall? 2. Welche Vorteile haben Roboter in unserem Alltag? 3. Welche Gefahren können Roboter mit sich bringen? 4. Welche positiven und negativen Auswirkungen hat die künstliche Intelligenz bzw. die Robotik auf die Gesellschaft? 5. Woher wissen Roboter, was sie tun müssen? Wie kann ein Roboter Befehle von uns entgegennehmen? Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 11 Tauscht eure Ergebnisse anschliessend in der Klasse aus. LÖSUNG Beispiele zu Robotern im Alltag und möglichen Auswirkungen finden Sie in den Hintergrundinformationen. AUFGABE Technische Berufe Robotik ist ein interdisziplinäres Gebiet. Das heisst, es arbeiten Expertinnen und Experten aus unterschiedlichen Bereichen daran. Dazu gehören auch Berufe aus dem Bereich Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik. Hier du eine mögliche Zusammenstellung von Berufen zum Thema Robotik und Automation. Wenn du auf das Bild klickst siehst du ein vollständiges Interview erhälst einen Einblick in die Lehre als Elektroinstallateurin bzw. Elektroinstallateur. Dies als Beispiel für einen technischen Beruf. Lies das Interview in Ruhe durch und halte interessante Aspekte in deinem Forschungsheft fest. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 12 Auszug Interview Elektroinstallateurin Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 13 3. Die Gärtnerei Spichtig Informationen für Lehrpersonen Lernform: Plenum, Input, Einzelarbeit Material: Pro Gruppe: 1Pro Gruppe: 1 Computer mit Ladekabel Software LEGO Mindstorms Education EV3 LEGO EV3 Classroom LEGO Education SPIKE Prime, 1 EV3 SPIKE Prime Roboter mit USB-Anschlusskabel, 1 Hilfestellung Software und Roboter, 1 Problemstellungskarte pro Bereich Gehirn, Muskeln, Sinne, Zusätzlich für den Bereich Muskeln einen Tennisball (Spike: Tischtennisball), Zusätzlich für den Bereich Sinne eine Taschenlampe, Schreibzeug, Forschungsheft im OneNote Lehrplanbezug: Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler (SuS) können den grundsätzlichen Aufbau und die Funktionsweise von Robotik-Systemen aus technischer und naturwissenschaftlicher Sicht verstehen. in der Umwelt durch einen Roboter mit Sensoren Daten erfassen und mit Aktoren (re-)agieren. Lösungsansätze aus technischer und gesellschaftlicher Sichtweise im Team für die Problemstellungen Gehirn, Muskeln und Sinne formulieren, optimieren und mit anderen Vorschlägen vergleichen. Weiterführende Informationen Einführung in die Problemstellung (Detailinfos zum Download s. unten) Die Lehrperson zeigt anhand der Übersicht und des Textes in der Aufgabe die Problemstellung der Gärtnerei Spichtig auf. Zu jedem Teilproblem gibt es eine entsprechende Problemstellungskarte mit Übungen. Die Teilprobleme werden einzeln in Kleingruppen (2-3 SuS) gelöst, wobei die Reihenfolge (Schwierigkeitsgrad) und Anzahl pro Kleingruppe variieren kann: Bereich Gehirn (schwierig): Ein Ziva-Lagerungsroboter soll den Lagerbestand an Düngemittel und Blumenerde kontrollieren und Nachbestellungen erledigen. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 14 Bereich Muskeln (einfach): Ein Schubkarrenroboter soll mit Hilfe eines Greifarms automatisch Material aufladen und dieses von einem Anfangs- zu einem Zielpunkt hin- und zurückfahren. Bereich Sinne (mittelschwer): Der Wachroboter PLZ-3000 soll sich selbstständig einschalten, sobald es genügend dunkel ist. Sobald jemand auf die Bodenplatte am Eingangsbereich der Lagerhalle tritt oder zu nahe an den Roboter herantritt (er wird neben der Türe installiert), soll er einen Alarm wiedergeben. Einführung in die Hard- und Software(Detailinfos zum Download s. unten) Die Lehrperson gibt den Gruppen vor der Arbeit an den Teilproblemstellungen einen Überblick über Hard- und Software. Dabei sollen folgende Fragen geklärt werden: Für was sind welche Sensoren beim Roboter? Wie starte ich den Roboter? Wie schalte ich den Roboter wieder aus? Wie schreibe ich ein Programm in der Software? Wie lade ich das Programm auf den Roboter und teste es? Die Kurzanleitung dient dabei als Hilfestellung. Fachdidaktische Hinweise zur Durchführung Bei grösserem Bedarf an Führung und Struktur können alle Gruppen dieselben Bereiche zeitgleich lösen und die LP gibt die einzelnen Teilschritte in der Planung und Durchführung vor. Dies hat sich vorwiegend bei schwächeren Niveaugruppen als hilfreich erwiesen. Häufige Probleme treten in Zusammenhang mit den falschen Portansteuerungen auf (vgl. S. 9). Lassen Sie daher immer zunächst die Port-Anschlüsse am Roboter und beim Programmierblock kontrollieren. In seltenen Fällen müssen die Verbindungskabel ausgewechselt werden. Sammeln Sie wiederkehrende technische Probleme aus den Gruppen im Plenum, z.B. an der Wandtafel Whiteboard oder in einer digitalen Lernumgebung. Besprechen Sie Lösungswege und halten diese mit den SuS für alle sichtbar fest. Programmiersequenz: Um den Fehler zu finden bzw. die Abfolge nachvollziehen zu können, hat sich folgende Hilfestellung bewährt: Vor jeden Programmierblock wird zusätzlich ein Klangblock mit einer anderen Sequenz eingefügt. Beim Testen des Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 15 Programms kann so abgezählt werden, an welcher Stelle die Programmierung nicht korrekt läuft. Aufgaben und Lösungsdateien zum Download als zip-Datei LEGO Mindstorms EV3 LEGO classroom EV3 LEGO SPIKE Prime Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 16 AUFGABE Quelle: pixabay, petrafaltermeier Die Gärtnerei Spichtig hat eine lange Tradition. Schon seit über 150 Jahren züchtet sie Blumen, pflegt und gestaltet Gartenanlagen und stellt wunderschöne Blumensträusse und Gestecke zusammen. Die Firma setzte bis heute vor allem auf präzise Handarbeit. Dies braucht aber Zeit. Das war vor 50 Jahren noch kein Problem. Heutzutage setzen viele Gärtnereien, wie auch die Gärtnerei Spichtig, nebst der unverzichtbaren Handarbeit auf herkömmliche Maschinen im Gartenbau. Der Schaufelbagger ist dabei sehr beliebt. Doch der Fortschritt macht auch vor der Baubranche nicht halt. Alles muss immer schneller fertig sein und sollte dabei auch noch wahnsinnig gut aussehen. Auch das Ehepaar Spichtig, dem die Gärtnerei gehört, geht mit der Zeit und möchten sein Unternehmen modernisieren. Mit Hilfe von Robotern sollen einzelne Arbeiten, wie das Nachbestellen von Düngemittel und Blumensamen, das Transportieren von Material oder das Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 17 Überwachen des Firmengeländes innerhalb der Firma schneller und effektiver erledigt werden. Dazu haben sie ein Expertenteam aus geübten Roboterprogrammiererinnen und -Programmierern angeheuert – EUCH! In den drei Kategorien Gehirn – Programm Muskeln – Aktoren Sinne – Sensoren werdet ihr für die Gärtnerei Spichtig Roboter entwickeln. AUFGABE Übersicht Eigene Darstellung (A. Schmid) Material Pro Arbeitsgruppe benötigt ihr folgende Materialien: 1 Computer mit Ladekabel installierter Software LEGO Mindstorms Education EV3 LEGO EV3 Classroom LEGO Education SPIKE Prime 1 EV3 SPIKE Prime Roboter mit USB-Anschlusskabel 1 Hilfestellung Software, je nach Modell Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 18 1 Problemstellungskarte pro Bereich Gehirn, Muskeln, Sinne Zusätzlich für den Bereich Muskeln einen Tennisball(Spike: Tischtennisball) Zusätzlich für den Bereich Sinne eine Taschenlampe Schreibzeug Forschungsheft in OneNote Problemstellungen Bei der Problemstellung der drei Bereiche beschreibt die Familie Spichtig genau, für welchen Arbeitsschritt der Roboter gebraucht werden bzw. welches Problem er lösen soll. Ihr seht also, welches ZIEL euer Roboter erreichen soll. Die Leitfragen führen euch zu einer möglichen Lösung hin. Die Lösung des Problems ist allerdings nicht immer einfach. Daher sollt ihr jeweils zuerst die verschiedenen beigelegten Bausteine lösen. Sie führen euch in mehrere Gebiete der Robotik ein und helfen euch dabei, ein Basiswissen in Robotik aufzubauen. Die Unterlagen zu den einzelnen Bereichen bekommt ihr von eurer Lehrperson. Bereich Muskeln (einfach): Ein Schubkarrenroboter soll mit Hilfe eines Greifarms automatisch Material aufladen und dieses von einem Anfangs- zu einem Zielpunkt hin- und zurückfahren. Bereich Sinne (mittelschwer): Der Wachroboter PLZ-3000 soll sich selbstständig einschalten, sobald es genügend dunkel ist. Sobald jemand auf die Bodenplatte am Eingangsbereich der Lagerhalle tritt oder zu nahe an den Roboter herantritt (er wird neben der Türe installiert), soll er einen Alarm wiedergeben. Bereich Gehirn (schwierig): Ein Ziva-Lagerungsroboter soll den Lagerbestand an Düngemittel und Blumenerde kontrollieren und Nachbestellungen erledigen. Das «Forschungsheft Alle Ideen und Hinweise zum Lösen der drei Probleme aus den Bereichen haltet ihr in einem Forschungsheft fest. In der Aufgabe erhaltet ihr genauere Hinweise. LÖSUNG Die Lösungsdateien zu jeder Aufgabe aus den Bausteinen sowie eine mögliche Musterlösung zu jedem Teilproblem sind im Lehrer/innenkommentar abrufbar. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 19 AUFGABE Vorgehen im Forschungsheft: 1. Hypothesen (Ideen zur Lösung): Schreibt eure Ideen zum Lösen des Problems auf. 2. Modell zeichnen (Skizze): Erstelle eine Skizze für dein Programm. Benutze dazu die vorgegebenen Sprachbausteine. 3. Lösungsfindung des Problems (nach der Baustein-Bearbeitung): Entwickelt nun eine mögliche Lösung mit Hilfe der Kenntnisse aus den Bausteinen. Haltet eure Erkenntnisse zum Lösen des Problems schriftlich fest. 4. Lösung: Fügt ein Screenshot oder eine Zeichnung eurer Lösung in euer Forschungsheft in OneNote ein. Reflexionsfragen: 1. Was hast du bei diesem Posten gelernt? Was war dabei besonders interessant? 2. Was war besonders schwierig? 3. Findest du es sinnvoll, dass die Familie Spichtig in dieser Situation auf einen Roboter setzt? Welche Vor- und Nachteile siehst du dabei? LÖSUNG Die Lösungsdateien zu jeder Aufgabe aus den Bausteinen sowie eine mögliche Musterlösung zu jedem Teilproblem sind im Lehrer/innenkommentar abrufbar. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 20 AUFGABE Quelle: pixabay, vgrenon, cc 0 Forschungskonferenz des Gärtnereienverbandes Stellt euch vor, ihr seid zu einer Forschungskonferenz eingeladen. Das Thema der Konferenz heisst: «Welche Lösungsansätze bieten Roboter für Gärtnereien?». Die Forschungsteams beschäftigen sich mit folgenden Fragen: 1. Welches sind die besten Lösungsansätze, um mit Robotern effizienter und schneller in der Gärtnerei Spichtig zu arbeiten? Was muss beim Einsatz der Roboter beachtet werden? 2. Welche positiven und negativen Auswirkungen können diese Massnahmen auf die Gärtnerei Spichtig, die Mitarbeitenden und ihre Kunden haben? 3. Was ratet man im Speziellen der Gärtnerei Spichtig? Jedes Forschungsteam stellt die eigenen Resultate vor. Gemeinsam überlegt ihr euch Lösungen, die ihr gemeinsam untersucht. Wichtig ist, dass ihr die Resultate im Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 21 Forschungsheft festhaltet. LÖSUNG Die Lösungsdateien zu jeder Aufgabe aus den Bausteinen sowie eine mögliche Musterlösung zu jedem Teilproblem sind im Lehrer/innenkommentar abrufbar. Gemeinsame Auswertung (Synthese): Die LP sammelt im Plenum die Ergebnisse der Gruppenarbeiten und hält diese an der WT oder via PC und Beamer schriftlich fest. Folgende Fragen werden beantwortet? Welches sind die besten Lösungsansätze, um mit Robotern effizienter und schneller in der Gärtnerei Spichtig zu arbeiten? Welche Auswirkungen haben diese Massnahmen auf die Gesellschaft? AUFGABE Persönliche Rückmeldung an die Familie Spichtig Schreibe einen Brief an die Gärtnerei Spichtig und halte deine Ergebnisse in vollständigen Sätzen fest. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 22 LÖSUNG Individuelle Antwort gemäss Ergebnis in den Kleingruppen und Besprechung in der Klasse. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 23 4. Roberta, der universelle BodenroboterAssistent Informationen für Lehrpersonen Lernform: Einzelarbeit, Gruppenarbeit, Plenum Material: Pro Gruppe: Pro Gruppe: 1 Computer mit Ladekabel Software LEGO Mindstorms Education EV3 LEGO EV3 Classroom LEGO Education SPIKE Prime, 1 EV3 SPIKE Prime Roboter mit USB-Anschlusskabel, 1 Hilfestellung Software und Roboter, 1 Kartonschachtel, Schreibzeug, Forschungsheft in OneNote Lehrplanbezug: Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler (SuS) können Lösungsansätze aus technischer und gesellschaftlicher Sichtweise im Team für die Problemstellung Roboterassistent formulieren, optimieren und mit anderen Vorschlägen vergleichen. Weiterführende Informationen Diese Aufgabe ist als Transfer im Anschluss an die drei Teilproblemstellungen Gehirn, Muskeln, Sinne gedacht. Diese kann in denselben Gruppen wie zuvor gelöst, in neu gebildeten Gruppen oder ggf. in Einzelarbeit gelöst werden. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 24 AUFGABE Grüner Roboter. Quelle: openclipart Nachdem die neu angeschafften Roboter alle Erwartungen der Familie Spichtig übertroffen hat, haben sie sich dazu entschlossen, noch einen universellen Roboterassistenten, ROBERTA, anzuschaffen. Dieser übernimmt die automatische Bewässerung der Blumen und der Gartenanlage wie auch die internen Blumenlieferungen vom Lager an die Theke. Leider hat ROBERTA eine Fehlfunktion, sodass der Abschaltprozess am Abend nicht richtig ausgelöst wird. Deshalb wenden sich die Geschäftsinhaber der Gärtnerei Spichtig, Isabelle und Martin Spichtig, erneut an euch – mit der grossen Bitte, ROBERTA neu zu programmieren. Der universelle Roboterassistent ROBERTA soll per Tastendruck gestartet werden. Anschliessend fährt er auf seiner letzten Fahrt des Tages eine bestimmte Strecke einfach geradeaus zu seiner Ladestation. Dabei piepst er aus Sicherheitsgründen ein Mal pro Sekunde. Sobald sich ihm jemand in den Weg stellt, hält er an und wartet, bis die jeweilige Person oder der jeweilige Gegenstand vor ihm verschwindet. Erst dann setzt er seine Fahrt Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 25 fort. Damit es beim nächsten Mal besser organisiert werden kann, dass sich auch niemand ROBERTA in den Weg stellt, zählt er, wie oft er auf seiner Fahrt anhalten und warten musste. Schlussendlich in der dunklen Ladestation angekommen, hält ROBERTA an und wartet, bis er per Tastendruck ausgeschaltet wird. Was soll ROBERTA genau machen? Schreibe eine Zusammenfassung in dein Forschungsheft. Beginne mit: Per Tastendruck wird Roberta gestartet . Falls du Hilfe benötigst, hilft dir hier Roberta: Tipp zur Umsetzung: Da euer Roboter keine verschlossene Ladestation besitzt, nutzen wir eine Kartonschachtel dafür. Um zu erkennen, ob jemand sich ROBERTA in den Weg stellt, kann der Ultraschallsensor verwendet werden. LÖSUNG Bereich Sinne (mittelschwer): Der Wachroboter PLZ-3000 soll sich selbstständig einschalten, sobald es genügend dunkel ist. Sobald jemand auf die Bodenplatte am Eingangsbereich der Lagerhalle tritt oder zu nahe an den Roboter herantritt (er wird neben der Türe installiert), soll er einen Alarm wiedergeben. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 26 AUFGABE Quelle: Eigenes Foto (A. Schmid) ROBERTAs Problem ist euch bekannt. Aber wie genau sollt ihr es angehen? Auf was müsst ihr besonders achten? Die folgenden Leitfragen sollen euch einen Denkanstoss dazu bieten. Durch die Beantwortung der Leitfragen wird die Neuprogrammierung vom universellen Roboterassistenten ROBERTA für euch einfach: Wie können wir erreichen, dass der universelle Roboterassistent nach dem Tastendruck geradeaus fährt? Wie können wir erreichen, dass ROBERTA einmal pro Sekunde piepst? Wie können wir erreichen, dass unser kleiner Roboter vor einem Hindernis anhält, wartet und schliesslich weiterfährt? Wie können wir erreichen, dass ROBERTA die Anzahl seiner Stopps mitzählt und am Display anzeigt? Wie können wir erreichen, dass der universelle Roboterassistent anhält und aufhört zu piepsen, wenn er in der dunklen Umgebung seiner Ladestation angelangt ist? Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 27 Wie können wir erreichen, dass das Programm unseres kleinen Roboters nach einem zweiten Tastendruck beendet wird? Vorgehen im Forschungsheft: 1. Hypothesen (Ideen zur Lösung): Schreibt eure Ideen zum Lösen des Problems auf. 2. Modell zeichnen (Skizze): Erstelle eine Skizze für dein Programm. Benutze dazu die vorgegebenen Sprachbausteine. a. Sprachbausteine: Start, Warten-Auf, Berührung, Farbsensor bzw. Lichtsensor (hell/dunkel), Ultraschall (Entfernung), Klang (Töne, Melodien), Schalter, Bewegungslenkung (Motoren links rechts, vorwärts rückwärts), Schleife, Variable, Rechnen (Vergleichen), Anzeige (EV3 SPIKE). 3. Lösungsfindung des Problems (nach der Baustein-Bearbeitung): Entwickelt nun eine mögliche Lösung mit Hilfe der Kenntnisse aus den Bausteinen. Haltet eure Erkenntnisse zum Lösen des Problems schriftlich fest. 4. Lösung: Fügt ein Screenshot oder eine Zeichnung eurer Lösung in euer Forschungsheft in OneNote ein. LÖSUNG Die Lösungsdatei einer möglichen Musterlösung zur Aufgabe ist im Lehrer/innenkommentar abrufbar. AUFGABE Persönliche Rückmeldung an die Gärtnerei Spichtig Du hast nun eine Lösung oder Teillösung gefunden, um den Roboterassistent ROBERTA zu programmieren. Überlege dir nun zwei positive und zwei negative Auswirkungen des Robotereinsatzes auf die Gärtnerei Spichtig, die Mitarbeitenden und auf ihre Kunden. Schreibe einen Brief an die Gärtnerei Spichtig und halte deine Ergebnisse (Lösung und Auswirkungen) in vollständigen Sätzen fest. Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 28 LÖSUNG individuelle Lösung Wie können uns intelligente Maschinen im Alltag unterstützen? 29