Formale Aspekte

Namen der Verfasser der Lernumgebungsdokumentation

Anna Buntru, Joyce Bastin, Lara Kockler, Sara Martini

E-Mail-Adressen und Datum

Inhaltsaspekte

Name der Lernumgebung

„Forschungslabor Robotik“

Kurzbeschreibung der Lernumgebung

1. Algorithmen sind in vielen digitalen Arbeitsmitteln/Tools enthalten, aber nicht immer eindeutig erkennbar. Nicht immer ist eindeutig, wie diese funktionieren und welche Interessen bei ihrer Anwendung verfolgt werden. Daher ist es wichtig für Kinder ein Grundwissen zu Funktionsweise und Vorkommen von Algorithmen zu besitzen, um sich kritisch damit auseinanderzusetzen zu können.

2. Stundenziel: Die Kinder lernen den Begriff „Algorithmus“ kennen. Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler - Erkennen Gesetzmäßigkeiten und beschreiben diese - Beschreiben Algorithmen alltagssprachlich - Erkennen Algorithmen in der Welt und können Beispiele für Computeralgorithmen und Algorithmen in alltäglichen Situationen nennen (z. B. einen Kuchen backen) - Kennen die drei Teile eines Algorithmus: Eingabe, Schritte zur Änderung der Eingabe, Ausgabe (EVA-Prinzip)

3. Der Einstieg in das Thema „Algorithmen“ geschieht über eine kurze Rahmenerzählung und die Vorstellung des Vorhabens, einem Roboter beizubringen, wie man ein Marmeladenbrot schmiert. In der Erarbeitung werden zunächst wichtige Bestandteile für dieses Vorhaben gesammelt (Zutaten, Anweisungen zur Zubereitung) und geklärt, wie das fertige Produkt, das Marmeladenbrot, aussehen soll. Nachdem dann ausprobiert wird, ob tatsächlich das gewünschte Produkt entsteht, werden Zutaten und Anweisungen weiter angepasst. In einer anschließenden Reflexion werden die zuvor erarbeiteten Bestandteile der Marmeladenbrotanleitung in Verbindung mit dem Begriff Algorithmus gebracht, dieser definiert und seine drei Bestandteile Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe (EVA-Prinzip) eingeführt. In der anschließenden Vertiefung folgt die Konkretisierung durch das Sammeln weiterer Beispiele für Algorithmen. Die Sicherung fordert die Kinder dazu auf, selbst noch einmal in eigenen Worten zu definieren, was ein Algorithmus ist.

4. Bild eines Roboters, Tafel/Whiteboard, Visualisierung der Zutaten und wichtiger Begriffe, Zutaten für ein Marmeladenbrot

Ungefährer Zeitbedarf zur Durchführung

Zur Durchführung dieser Lernumgebung wird eine Unterrichtseinheit benötigt.

Adressaten der Lernumgebung

1. Die Lernumgebung wird in der Klassenstufe 3 und 4 durchgeführt. Insgesamt sind es acht Schüler und Schülerinnen.

2. Es sind mathematisch begabte Kinder im Fokus der Durchführung.

Zentrale Aufgabenstellungen und Arbeitsaufträge in der Lernumgebung

Einstieg: Laborleiterin: „Herzlich Willkommen in unserem Forschungslabor am Institut für Robotik und Künstliche Intelli-genz! Wir freuen uns sehr, dass ihr heute da seid und uns eure Expertise zur Verfügung stellt. Wir haben einen neu-en Roboter entwickelt, den wir Robby genannt haben! Heute wollen wir ihm einige nützliche Dinge beibringen. Dabei brauchen wir eure Hilfe! Da man immer besser denken kann, wenn man genug gegessen hat, haben wir uns überlegt, dass wir dem Roboter zuerst beibringen, wie er uns ein Marmeladenbrot schmiert.”

1. Hinführung zum Thema anhand eines Bildes von einem Roboter

2. Drei Bestandteile eines Algorithmus werden an die Tafel gepinnt: - Zutaten = Eingabe: Toastbrot, Himbeermarmelade, Butter, Messer, Brett, Teelöffel - Anweisungen = Verarbeitung: Was muss ich machen? - Produkt = Ausgabe: Marmeladenbrot Kurze eindeutige Anweisungen: ein Schritt nach dem anderen, damit sie auch gut und einfach auszuführen sind. Sätze werden hier auf Papierstreifen oder an das Whiteboard aufgeschrieben. Anschließend wird ausprobiert, ob die Ausgabe so ist, wie gewünscht.

3. Bewertung des Produkts und Thematisierung von dem Unterschied zwischen einem Roboter und einem Menschen

4. Anpassung der Formulierungen und erneutes Ausprobieren

5. Reflexion und Klärung: Erstellen einer Definition für einen Algorithmus (Eingabe, Schritte zur Änderung der Eingabe/Verarbeitung, Ausgabe)

6. Konkretisierung: Verknüpfung mit weiteren Beispielen (Kuchen backen, Schriftliche Addition, Legobauen nach Anleitung, Bastelanleitung,...)

7. Sicherung

Technische Voraussetzungen

Die Lernumgebung benötigt keine speziellen technischen Voraussetzungen.

Fachlicher Gehalt der Lernumgebung

Mathematische und informatische Analyse

Algorithmen finden sich in vielen Dingen unserer alltäglichen Lebenswelt wieder. Sie zu identifizieren und ihre Zielsetzung zu erkennen ist jedoch nicht immer ganz leicht. Algorithmisches Denken findet sich häufig im Zusammenhang mit Informatik und digitalen Arbeitsmitteln wieder, man kann sich jedoch unabhängig von diesem Bereich auch an alltäglichen Abläufen orientieren, wie z.B. dem Zähneputzen, Tee kochen oder einer Spielanleitung. Alle diese Vorgänge haben eine bestimmte Struktur und diese sollen erkannt und sprachlich beschrieben werden. Dazu muss ein bestimmter Vorgang auf seine wichtigsten Schritte zu reduzieren und eindeutig und unmissverständlich zu beschreiben. Dadurch können auch eventuelle Ängste von dem informatisch/mathematisch geprägten Begriff „Algorithmus“ genommen werden und einen neuen Blick auf den eigenen Alltag bewusst gemacht werden (vgl. Etzold et al. 2019, 4). Neben dem fachlichen Grundverständnis für den Begriff „Algorithmus“ ist es, in einer digital stark geprägten Welt, nützlich sich eine gewisse informatische Denkweise anzueignen. Allgemein ist es aber auch für viele Lebenssituationen von Nutzen einen Sachverhalt auf seine wichtigsten Bestandteile reduzieren und analysieren zu können und diese genau beschreiben zu können (vgl. ebd., 4f). Algorithmus ist eine „präzise, eindeutige Handlungsvorschrift […], die das Ziel hat, ein Problem zu lösen“ (ebd., 5). Die Beschreibung eines Algorithmus setzt sich häufig aus mehreren „aufeinanderfolgenden Anweisungen, die je eine elementare Aktion/Handlung vom Ausführenden erwarten“ (ebd.) zusammen. Als elementar gilt eine Anweisung, wenn sie nicht nochmals in Anweisungen unterteilt werden muss, um sie zu verstehen. Algorithmen sind in einzelnen Sequenzen strukturiert, weil eine Anweisung nach der anderen nacheinander abgearbeitet werden soll (vgl. ebd.). Algorithmen sind also in seiner grundlegenden Form immer eine Folge (vgl. ebd.). Weitere Grundbausteine sind Wiederholungen und Verzweigungen. Bei einer Wiederholung werden mehrere gleiche aufeinanderfolgende Elementaranweisungen zusammengefasst. Verzweigungen kommen in komplexeren Algorithmen vor, bei denen eine Entscheidung zwischen zwei oder mehreren alternativen Anweisungen notwendig sind (vgl. ebd.).

Fachdidaktischer Gehalt der Lernumgebung

Didaktische Analyse

Sinnvoll ist Erarbeitung des Begriffs Algorithmus und seiner Bestandteile beginnend bei einem besonders charakteristischen Ausgangsbeispiel, welches das Wesen eines Algorithmus gut umspannt, dann nach ausführlicher Besprechung des Ausgangsbeispiels wird über eine genaue Beschreibung das „Wesentliche des Begriffs herausgearbeitet und als Ausgangsabstraktion formuliert“ (Platz, 2024). Wichtig: muss allgemeine Definition sein, durchaus aber kindgerecht möglich. Erarbeitetes wird weiter vertieft und gefestigt durch Anwendung der Ausgangsabstraktion auf weitere Beispiele, die sog „Konkretisierungen“ (Platz, 2024). Hier bietet es sich auch an, Gegenbeispiele zu suchen. Auch ein Bezug zu KI als „Art des Computeralgorithmus“ - Sinnvoll, erst einfache Algorithmen mit einem Grundbaustein (Grundbausteine = Folge, Wiederholung, Verzweigung) zu verwenden (vgl. Uni Potsdam, 2019) - Beispiele sollten aus der Lebenswelt der Kinder stammen (vgl. Uni Potsdam, 2019) - Schwierigkeiten von Kindern bei Lösung vom Beispiel, kontextfreier Beschreibung wichtiger Begriffe (vgl. Uni Potsdam, 2019) - Sinnvoll, gemeinsam ein Ausgangsbeispiel zu erarbeiten und ausführlich zu besprechen, zu optimieren (vgl. Uni Potsdam, 2019) - Ggf. sprachliche Probleme bei der Formulierung der Anweisungen im Imperativ (vgl. Uni Potsdam, 2019)

„Gute“ Aufgaben & Differenzierung

a. Mathematische & informatische Ergiebigkeit: Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler - Erkennen Gesetzmäßigkeiten und beschreiben diese - Beschreiben Algorithmen alltagssprachlich - Erkennen Algorithmen in der Welt und können Beispiele für Computeralgorithmen und Algorithmen in alltäglich geht Zusammenhängen nennen (z. B. einen Kuchen backen) - Kennen die drei Teile eines Algorithmus: Eingabe, Schritte zur Änderung der Eingabe, Ausgabe (EVA-Prinzip)

b. Offenheit & optimale Passung: Die Aufgabe ist herausfordernd auf unterschiedlichen Anspruchsniveaus und vielfältig in den Lösungsstrategien. Die Kinder haben mehrere Möglichkeiten, wie sie ihre Anweisungen formulieren möchten. Die einzigen Kriterien sind, dass die Anweisungen klar und präzise sind. Zudem handelt es sich um ein Mit- und voneinander lernen, da die Kinder sowohl die Anweisungen als auch anschließend die Definition gemeinsam als Klasse erstellen sollen.

c. Authentizität, Aktivierung & Motivation: Die SuS lernen, Probleme in kleine, überschaubare Schritte zu zerlegen. Sie erkennen die Wichtigkeit einer klaren und präzisen Abfolge von Anweisungen, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Zudem fördern Algorithmen das Verständnis für logische Zusammenhänge und Muster. Sie lernen, wie man gewisse Muster erkennt und diese dann auch nutzt, um Probleme zu lösen. Sie lernen auch verschiedene Lösungswege zu erproben und die effektivste Methode zu finden. Außerdem bekommen die Kinder ein Verständnis dafür. Wie Mathematik in der Technologie und im täglichen Leben verwendet wird. Insgesamt entsteht ein Bild von Mathematik als dynamisches, kreatives und logisches Fachgebiet, das weit über das Rechnen hinausgeht.

d. Verständlichkeit: Zum einen werden die SuS in den Kontext gesetzt anhand des Bildes des Roboters und der Einleitung. Zudem wird der Algorithmus anschließend von einer Lehrperson durchgeführt, was auch noch einmal zur Visualisierung dient. Die einzelnen erarbeiteten Schritte werden auch an die Tafel gehängt, sodass sie die ganze Zeit sichtbar sind.

Artikulation, Kommunikation, soziale Organisation

1. Handeln: Die SuS erarbeiten gemeinsam mögliche Anweisungen, die dem Roboter gegeben werden können. Anschließend erstellen sie auch gemeinsam eine Definition für einen Algorithmus. Dies fördert die Kooperation. Sprechen: Die SuS verfassen die mündlichen Anweisungen, die dem Roboter anschließend gegeben werden. Hier wird zudem das Verständnis für klare und präzise Kommunikation gefördert. Schreiben: Die SuS schreiben eine Schritt-für-Schritt-Anleitung. Dies fördert wiederum das logische und strukturierte Denken.

2. Die SuS formulieren die Anweisungen für den Roboter und konstruieren das Produkt. Die Inhalte werden schriftlich festgehalten.

3. Als Sozialformen werden Plenum, Einzelarbeit und Gruppenarbeit angewendet.

4. Die einzelnen Schritte werden von den SuS reflektiert und in einer Definition festgehalten. Die SuS sollen darauf eingehen, welche Informationen für den Roboter wichtig sind, um ein einheitlich festgelegtes Produkt zu erhalten und welche Veränderungen während der Arbeitsphase vorgekommen sind. Des Weiteren wird der Unterschied zwischen Menschen und Roboter/KI diskutiert.

Potenzial des Einsatzes (digitaler) Medien

1. Whiteboard, Stifte

2. Der Umgang mit den Arbeitsmitteln und den enthaltenen Potenzialen werden in der Erarbeitungs- und Reflexionsphase erlernt.

3. Toastbrot, Himbeermarmelade, Butter, Brett, Messer, Teelöffel, Papierstreifen, Bild des Roboters

4. Zentrale Begriffe werden an die Tafel angebracht, Toastbrot und andere Zutaten sind in einer Stofftasche und werden nacheinander herausgeholt und auf den Tisch gelegt.

5. Notieren der Anweisungen unter dem Oberbegriff an der Tafel, kostet viel Zeit und ist schwierig bei Veränderungen der Anweisungen oder einfügen einer zusätzlichen Anweisung.

6. Die Arbeitsmittel dienen hier vor allem der Veranschaulichung und Durchführung eines von den Kindern selbst erstellten Algorithmus. Sie dienen dazu, die sonst für Nutzer nicht sichtbare Abläufe in digitalen Medien sichtbar und verstehbar zu machen.

7. Die digitalen Medien und Arbeitsmittel bieten vielfältige fachdidaktische Potenziale, die das Lernen der SuS unterstützen können. Sie fördern algorithmisches Denken, Motivation, individuelle und kooperative Lernprozesse, Visualisierungskompetenzen und problemlösendes Denken.

8. Die Materialien sind einfach herzustellen und zu besorgen, sodass kein großer Zeitaufwand notwendig ist und auch keine großen Kosten entstehen.

9. Die Lehrperson muss nicht mehr Zuwendung aufbringen als in einer normalen Unterrichtssituation notwendig. Nach einer guten Einführung in das Thema ist es auch vorstellbar, dass die Kinder selbstständig in einer kooperativen Arbeitsform die Aufgabe bearbeiten. Es ist möglich, sich kommunikativ und argumentativ auszutauschen und auch denkbar, dass in unterschiedlichen Arbeits- und Sozialformen die Aufgabe bearbeitet wird.

Evaluation

1. Die Lernumgebung ermöglicht kein Strategiedokument für jeden einzelnen Schüler oder Schülerin. Die gemeinsam erarbeitete und notierte Anweisung kann jedoch dokumentiert und zur Evaluation genutzt wer-den.

2. Da gemeinsam an der Lösung der Aufgabe gearbeitet wird, sind keine einzelnen Schülerlösungen vorhanden. Die gemeinsame Lösung ist jedoch erkennbar und auch das Optimieren der Anweisung ist z.B. farblich darstellbar, sodass der Prozess der Erarbeitung erkennbar und nachvollziehbar wird.

3. Ja, es werden vielfältige Leistungen gefördert, die zum sozialen Lernen der Kinder beitragen. Unter anderem Teamarbeit, Kooperation, Kommunikation, Problemlösung und Selbstreflexion.

Vernetzung mit anderen Lernumgebungen

1. Grundsätzlich sind keine vorbereitende Lehr- und Lernaktivitäten notwendig, allerdings könnte man welche durchführen je nach Bedarf und Niveau der SuS. Ein Beispiel hierfür wäre, die Einführung in einfache Algorithmen anhand von Übungen, wo die SuS die Reihenfolge von Schritten festlegen müssen, beispielsweise bei einfachen Rechenaufgaben. Nachbereitende Lehr- und Lernaktivitäten wären beispielsweise die Besprechung und Analyse eines Algorithmus, um Verbesserungsmöglichkeiten zu erkennen und durchzuführen. Zudem könnte man den SuS auch die Aufgabe stellen, selbst einen eigenen Algorithmus aufzustellen für eine alltägliche Aufgabe.

2. Ja es gibt Beziehungen zur Geometrie und zur Arithmetik. In der Geometrie könnten die SuS lernen, wie Algorithmen verwendet werden. Um geometrische Formen zu erstellen oder zu analysieren. Zudem könnten sie Algorithmen auch verwenden, um symmetrische Muster zu erzeugen. In der Arithmetik könnten sie Algorithmen einsetzen, um systematische Lösungen zu erstellen von arithmetischen Problemen oder um bestimmte Rechenoperationen zu automatisieren oder zu vereinfachen. Die schriftliche Addition wäre hier ein gutes Beispiel.

3. Ja es gibt Beziehungen zu anderen Fächern, zum einen zur Informatik und zu den Naturwissenschaften als auch zum Sprachunterricht und der Kunst. In der Informatik werden Algorithmen genutzt zur Vertiefung der Programmierkenntnisse oder auch bei Robotikprojekten. In den Naturwissenschaften können Algorithmen verwendet werden zur Durchführung und Auswertung von Experimenten. Im Sprachunterricht wird die Fähigkeit gefördert, präzise und verständliche Anweisungen zu formulieren. In der Kunst könnte man es verbinden mit der Erstellung von bestimmtem Muster und Wiederholungen in Kunstwerken.

4. Es gibt auch Beziehungen zur außerschulischen Lebenswelt. Zum einen in alltäglichen Aufgaben wie die Schultasche packen oder Lego bauen nach Anleitung. Zum anderen auch in der Technologie und in der Berufswelt. Digitale Geräte funktionieren alle anhand von bestimmten Algorithmen und in Berufen wie Ingenieur oder Informatiker spielen sie auch eine sehr wichtige Rolle.

Reflexion der Lernumgebung

1. Es könnte zu Verständnisproblemen bei den Kindern kommen. Sie könnten eventuell Schwierigkeiten haben beim Verstehen des Konzepts, allerdings werden anschauliche Materialien verwendet und einfache und klare Erklärungen gegeben, somit dürfte es eigentlich nicht zu diesem Problem kommen. Allerdings können die Kinder jederzeit nachfragen, wenn sie etwas nicht verstehen, und wir erklären es auch gerne auf unterschiedliche Art und Weisen, falls nötig. Zudem könnte auch die Zeit etwas knapp werden, allerdings können wir jederzeit die Lernumgebung anpassen und falls nötig einige Beispiele weglassen oder einen Teil kürzen.

2. Die Lernumgebung sollte nicht angewendet werden, wenn die Lehrkräfte sich unzureichend vorbereitet haben. Es kann erst durchgeführt werden, wenn die Lehrkraft sich im Voraus auch Gedanken darüber gemacht hat und gut vorbereitet ist. Zudem sollte diese Lernumgebung auch nicht in niedrigeren Klassen angewendet werden, dass das Thema doch relativ komplex ist und es somit zu Schwierigkeiten beim Verständnis kommen könnte.

Literatur

• Etzold, Heiko, Noack, Svenja, Jurk, Andres (2019): Algorithmen im Alltag. Leitfaden für Lehrerinnen und Lehrer Teil 1: Hintergrund und Theorie. Digitales Lernen Grundschule Uni Potsdam, Open Educatio-nal Resources, verfügbar unter: https://dlgs.uni-potsdam.de/sites/default/files/u3/Leitfaden_Algorithmen_Teil_1.pdf