Naturwissenschaftlich-technischer Bereich

Was sind Robotik und Bionik?

Robotik und Bionik sind zwei moderne, aktuelle Forschungszweige, die jeweils traditionelle Bereiche der Naturwissenschaften vereinen und sich unter synergetischen Aspekten mit Problemen der Umwelt, Technik und Natur beschäftigen. Diese „vernetzten“ Wissenschaften sind in den letzten 20 Jahren entstanden und bieten vor allem bei umfassenden Problemstellungen Hilfen zur deren Lösung.

Die Robotik wird oft synonym mit der Mechatronik genannt. Sie setzt sich somit aus der klassischen Mechanik, der Elektronik und der Informatik zusammen. Beispiele, mit denen sich diese Disziplin befasst, wären das künstliche Herz, Roboterarme oder „intelligente Mechanismen, die mit der Umwelt agieren“, also das, was man umgangssprachlich unter einem Roboter versteht.

Das Wort Bionik integriert die Begriffe Biologie und Technik. Bionik als wissenschaftliche Disziplin befasst sich mit der technischen Umsetzung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme. Bekannte Beispiele sind hier der Klettverschluss, der Leichtbau oder der Lotus-Perl-Effekt.

Wie wird vorgegangen? Welche Methoden kommen zum Einsatz?

Die Inhalte des Differenzierungskurses bedingen eine Neukonzeption von Vorgehensweisen und unterrichtlichen Methoden. Der experimentell-problemorientierte Aspekt steht daher im Vordergrund. Planung, Bau, Programmierung, Test sind vorherrschende Arbeitsschritte, die unterbrochen werden von theoretischen, der Planung oder der Programmierung helfenden Phasen.

Das notwenigen informatische Basiswissen (z.B. Schleifen, Variablen, Listen) wird in überschaubaren Teilproblemen an technischen Geräten aus dem Alltag, die mit Fischertechnik-Baukästen konstruiert und programmiert werden, erlernt. Mechanische Konstruktionen (z.B. Übersetzungen mit Zahnrädern, Hebel, Motoren) können ebenso untersucht und verstanden werden. Die ersten Teilprobleme sind zudem so gewählt, dass an ihnen schon analoge Beispiele aus der Biologie erkennbar sind.

Im zweiten Schritt sind dann auf Grundlage der vorhandenen Basiskenntnisse Probleme zu bewältigen (z.B. Ausrichtung von Solaranlagen, Robotergang), die mithilfe biologischer Systeme (z.B. Blume, 2-, 4-, 6-Bein-Gang) gelöst werden können.

Partner- und arbeitsteilige Gruppenarbeiten sind gängige Unterrichtsformen. Einzelarbeiten und gemeinsames Unterrichtsgespräch werden vor allem zur Sammlung von Ergebnissen, zur Erläuterung von neuen Sachverhalten und zur Einübung neuer Techniken genutzt.

Inhalte der Jahrgangsstufe 9

• Ein einfaches Programm – Der Händetrockner (Theorie und Praxis)
• Nutzung von Ablaufplänen – Die Schiebetür (Theorie und Praxis)
• Anwendung von Ablaufplänen – Die Parkhausschranke (Praxis)
• Verwendung von Unterprogrammen – Erweiterung der Parkhausschranke (Theorie und Praxis)
• Verwendung von Variablen – Die Parkhausschranke mit Geheimcodeabfrage (Theorie und Praxis; Verständnis und Nutzung analoger und digitaler Eingänge, Potentiometern und Widerständen)
• Anwendung von Variablen – Die Temperaturregelung (Praxis); Anknüpfung an die Biologie: Warm- und Kaltblüter
• Variablen, Bedienfelder, gleichzeitige Prozesse, digitale und analoge Abfragen, lokale Variablen – Das Museum (ohne Aufbau von Robotern – reine Programmieraufgaben; Theorie und Praxis)
• Listen (Arrays), „Or & And“, Flip-Flop – Das Museum, Erweiterungssequenz (ohne Aufbau von Robotern – reine Programmieraufgaben; Theorie und Praxis)
• Die mechanische Blume – Untersuchung von Temperatur und Helligkeit im Verlauf eines Tages (Anknüpfung an die Biologie; Praxis)
• Die Wetterstation – Bau und Programmierung einer datenspeichernden Wetterstation, die maximale und minimale Windgeschwindigkeit, Sonnenscheindauer sowie maximale und minimale Temperatur aufnimmt (Praxis)
• Montage einer Solarzelle – Untersuchung eines geeigneten Aufstellortes einer Solarzelle (Anknüpfung an die Solarzellentechnik; Praxis; AVU- und anderweitiger externer Expertenvortrag)

Gruppenteilige Projektarbeit: Das robotergesteuerte Metallverarbeitungswerk

Inhalte der Jahrgangsstufe 10

• Der Laufroboter I – Problem des 2-, 4-, 6-Füße-Gangs; Identifikation des „Dreifußgangs“: ein Abgucken bei der Natur (reine Theorie)
• Der Laufroboter II – Bionische Aspekte beim bisherigen Bau von Robotern, „Bionisches Problemlösen“ (reine Theorie; Arbeitsblattsammlung)
• Der Laufroboter III – Einfache Vorwärtsbewegung (Praxis)
• Der Laufroboter IV – Bewegung mit Links- und Rechtsdrehung (Praxis)
• Der Laufroboter V – Bewegung mit Hinderniserkennung und Ausweichen (Praxis; ohne Vorgabe einer Bauanleitung)
• Der fahrende Roboter I – Einfache Bewegung auf Rädern (Praxis)
• Der fahrende Roboter II – Der Spurensucher (Praxis)
• Der fahrende Roboter III – Der „Herzfahrer“: ein einfacher Wettbewerb (oder ein anderer schulinterner Wettkampf auf Grundlage der bisher gesammelten Programmier- und Konstruktionserfahrungen)
• Der Laufroboter III – Aufbau des 6-, 4-, 2-Füße-Gangs (in dieser Reihenfolge); (Praxis)
• Der Laufroboter IV – Aufbau des 6-Füße-Gangs mit Zurückfinden der Anfangsposition: die Ameise (Praxis)

Computer + Programmieren = Informatik – viele würden spontan diese knappe Definition geben. Aber diese einfache Formel erfasst nur einen kleinen Ausschnitt dessen, was heute das Fach Informatik ausmacht. Was verbirgt sich also hinter dem Begriff „Informatik“ ? Womit befasst sich dieses Fach ? Und was versteht man schließlich unter „praktischer“ Informatik ?

Fragen wir doch einmal ein Fachwortlexikon, z. B. den Schüler-Duden. Dort lässt sich dazu auf S. 238 das Folgende nachlesen:

„Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen, besonders der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Digitalrechnern.“

Auf Wikipedia.de erfährt man mehr über die einzelnen Disziplinen der Informatik: Theoretische Informatik, Technische Informatik, Wirtschafts-informatik, Medieninformatik, Bioinformatik, Computerlinguistik, Künstliche Intelligenz und noch vieles mehr.

Die Informatik ist also keineswegs nur ein Fachgebiet, mit deren Hilfe Spezialisten raffinierte Computerprogramme schreiben. Die Auflistung der Anwendungsbereiche zeigt vielmehr, dass informatorische Erkenntnisse in vielen Lebensbereichen zur Anwendung kommen, ja sogar nicht mehr weg zu denken sind. Digitalrechner – PC, iPad, Smartphone, Navigationssystem, jeder benutzt sie heute schon wie selbstverständlich. Informationen – Internet, Facebook, Twitter & Co., wird man diese Medien bald haben müssen, um überhaupt an moderner Kommunikation teilnehmen zu können?

Ausrichtung des Kurses

Leitidee ist die Anwendung von Informations- und Kommunikationstechnologie in verschiedenen Bereichen des Alltags. Dabei bestimmen die Inhalte der Fachwissenschaft Informatik nur zu etwa 20 %, also zu einem eher geringen Teil, die Themen des 2-jährigen Kurses. Im Mittelpunkt stehen:

• der Erwerb von Fertigkeiten im Umgang mit Standardsoftware.
• das Anwenden von Computertechnologie zum Lösen verschiedener Fragestellungen, insbesondere auch aus dem mathematisch-naturwissenschaftlich-technischen Aufgabenfeld.
• das Kennenlernen von Techniken der Informationsbeschaffung und -bewertung.
• das Erlernen von Techniken zum Darstellen und Präsentieren von Sachinformationen.
• das Trainieren von selbständigem Arbeiten (methodischer Schwerpunkt !)

Mögliche Wahlthemen:

• Teilnahme an einem zdi-Roboterwettbewerb
• strukturierte Aufbereitung von Informationen und Gestalten eines Flyers, Bildbearbeitung mit GIMP (u.a. Urheberrecht, „Fake-News“)
• Grundlagen der Computertechnologie; logische Schaltungen und deren Simulation,
• Durchführen einer Umfrage zu einem aktuellen Thema, deren statistische Auswertung und ansprechende Darstellung der Ergebnisse.

Dieses ist nur eine kleine Auswahl möglicher Themen. Die Wahlthemen variieren mit jedem Kurs, je nach Interessenlage der Teilnehmer und der Lehrkraft.

Leistungsanforderungen

Es werden, wie in der APO-SI festgelegt, zwei Kursarbeiten/Halbjahr geschrieben. Es wird auch möglich sein, eine Arbeit pro Schuljahr durch eine eigenständige, umfangreichere Quartalsarbeit zu ersetzen, die natürlich wie eine schriftliche Kursarbeit gewertet wird. Die Themen werden zu überwiegendem Teil in Projekten behandelt, an deren Ende ein eigenständig erstelltes Produkt steht (Ausarbeitung, Präsentation, Computerprogramm u.ä.) .

Voraussetzungen

• Computerkenntnisse sind keineswegs Voraussetzung zur erfolgreichen Teilnahme, schaden natürlich auch nicht.
• Ein heimischer PC ist allerdings Pflicht, da auch praktische Hausaufgaben zu erledigen bzw. Projektarbeiten anzufertigen sind.
• Ein Internetzugang ist ebenfalls notwendig, da das zu moderner Kommunikationstechnik dazu gehört und im Kurs davon intensiv Gebrauch gemacht wird. Hier kann aber, falls nötig, die Schule helfen (z.B. Computer in der Bibliothek).