Informatik zum Anfassen: Arduino und Raspberry Pi Projekte für den Unterricht

Nur jeder zehnte deutsche Jugendliche zwischen zehn und 18 Jahren kann programmieren. Das geht aus einer Umfrage des Digitalverbands Bitkom aus dem Jahr 2018 hervor. Ob sich die digitale Kompetenz an deutschen Schulen in den letzten fünf Jahren verbessert hat, ist fraglich. Wie Lehrer News bereits im Frühjahr berichtete, gilt Informatik in gerade einmal fünf Bundesländern als Pflichtfach, in den meisten gibt es nur freiwillige Angebote. 

Trotz mangelnder staatlicher Maßnahmen, könnt ihr als Lehrkräfte eine technische Ausbildung in den Unterricht integrieren, um eure Schüler:innen bestmöglich auf ihre digitale Zukunft vorzubereiten. Eine solche Möglichkeit bieten Arduino und Raspberry Pi: kreditkartengroße Minicontroller bzw. Minicomputer, die vielfältige  Möglichkeiten bieten, die Arbeit mit Computern praktisch zu erlernen. Um euch die Unterrichtsvorbereitung zu erleichtern, stellen wir im Folgenden einige Projekte vor, die kostenlos online abrufbar sind und mit denen ihr Spaß am Programmieren wecken könnt!

Arduino oder Raspberry Pi?

Obwohl Arduino und Raspberry Pi häufig als Konkurrenzprodukte betrachtet werden, ist der Raspberry Pi ein eigenständiger Minicomputer, an den, wie bei herkömmlichen Geräten, zur Bedienung lediglich eine Maus, ein Monitor und eine Tastatur angeschlossen werden müssen. Anders beim Arduino: dieser Minicontroller führt den von einem angeschlossenen PC überspielten Code aus. Der Arduino durchläuft also wiederholt ein Programm, während der Raspberry Pi mehrere Programme nacheinander oder gleichzeitig abspielen kann. Da die eingeschränkten Funktionen des Arduino die Handhabung erleichtern, geschieht die Wahl zwischen den zwei Produktreihen am Besten anhand des Kenntnisstandes der Schüler:innen und dem angestrebten Niveau des Projekts. 

Arduino Projekt: Von der Blinkenden LED bis zum Autonomen Roboter

Dieses Projekt des Schülerforschungszentrums Südwürttemberg entstand im Laufe von zehn aufeinanderfolgenden Workshops mit Schüler:innen der 4. bis 6. Klasse. Zu Beginn werden die Grundlagen der Elektrizität abgefragt, um Teilnehmer:innen die Arduino-Hardware näherzubringen, bevor die Entwicklungsumgebung Arduino IDE und erste C++-Codes vorgestellt werden, die im Laufe des Projekts immer anspruchsvoller werden. Auch kommen neue Bauteile wie ein Multimeter und ein Analog-Digital-Wandler dazu. Diese schrittweise steigenden Ansprüche verringern die Gefahr, weniger-technikaffine Schüler:innen zurückzulassen. 

Der Fokus des Projekts liegt auf alltäglichen Anwendungen des Arduinos. Teilnehmer:innen bauen beispielsweise einen Bewegungsmelder oder verschiedene Motoren und bekommen so ein Verständnis dafür, wie viele selbstverständliche Vorgänge heute auf Computer und Codes angewiesen sind. Das Projekt endet mit dem Bau eines eigenen Roboters, um auch die spielerische und kreative Seite der Arbeit mit Computern aufzuzeigen. 

Das Material kann entweder als Lehrerleitfaden verwendet oder den Schüler:innen zur selbstständigen Erarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Es enthält neben erklärenden Lesetexten, Abbildungen und Grafiken auch elf Arbeitsblätter, inklusive ausführlich erklärten Lösungen. Die Materialliste am Kopf jedes Arbeitsblattes erleichtert die Unterrichtsvorbereitung. Besonders für technische Laien ist das beigefügte Arduino-Glossar hilfreich, in dem wichtige IT-Begriffe, die Grundlagen der C++-Programmierung und die Behebung häufiger Syntaxfehler im Code erklärt werden. 

Das Projekt-Dokument bietet in vielen Fällen schon den fertigen Code für die gegebenen Problemstellungen. Dieser wird den Schüler:innen ausführlich erklärt, bevor er in Arduino IDE übertragen werden soll. Mag diese Präsentation von Wissen zum Lernstil einiger passen, wird der Learning-by-Doing-Aspekt, der anderen Lerner:innen hilft, deutlich verringert. 

Weitere Arduino Projekte

• Der Workshop “Von der Schönheit und Eleganz Programmierbarer Gegenstände” von starthardware.org ist auf nur drei Tage ausgelegt. Die Aufgaben sind einfach gehalten und es wird eine fertige PowerPoint Präsentation mitgeliefert. 
• Die Qualitäts- und Unterstützungsagentur - Landesinstitut für Schule NRW bietet “Materialien für einen ‘Sanften Einstieg’ in die Microcontroller-Programmierung”. Nach der Erarbeitung der Hard- und Software und der Programmierung anhand zahlreicher Arbeitsblätter bekommen Schüler:innen die Gelegenheit, ihre eigenen Projekte frei zu planen und durchzuführen. Auch enthalten sind Lernerfolgskontrollen um das Projekt abzuschließen. 

Raspberry Pi Projekt: Unterrichten mit dem Raspberry Pi

Diese Unterrichtsreihe wurde bei der Arbeit mit Schüler:innen der 6. Klasse entwickelt. Sie ist auf 30 Stunden ausgelegt und begleitet Teilnehmer:innen in stetigen Schritten von der Einführung der Hardware, über die Aneignung der Programmiersprachen Scratch und Python, bis hin zum Programmieren eigener Spiele. 

Neben exakten Stundenabläufen, die euch die Unterrichtsvorbereitung erleichtern, bietet das Heft Verweise auf unterschiedlichste Hilfsmittel, z.B. kostenloses Unterrichtsmaterial zur spielerischen Aneignung der benötigten Programmiersprachen. Der ausführliche Lehrerleitfaden wird von 46 Arbeitsblättern begleitet. Diese ermöglichen Schüler:innen mithilfe von bunten Abbildungen und Grafiken die selbständige Arbeit im eigenen Tempo. Alle Lösungen werden ausführlich erklärt. 

Inhaltlich punktet das Heft mit seinem Fokus auf Computerspielen und kreativen Eigenprojekten. Sechs Stunden sind alleine dem Programmieren mit Minecraft gewidmet. Das beliebte Spiel ist in einer Raspberry Pi Version verfügbar, mit der man durch Python-Befehle unmittelbar in die Spielwelt eingreifen kann. Das Projekt endet zudem mit zehn Stationen, die selbständig je nach Interesse bearbeitet werden können. Hier lernen Schüler:innen unter anderem, Pixel-Art zu erstellen, eine Spielsteuerung aus Papier zu basteln oder einen Joystick anzustecken. 

Den Projektstart bildet ein dreistündiger Theorieblock zur Geschichte und zum Aufbau des herkömmlichen Computers. Obwohl entsprechende YouTube-Videos verlinkt wurden, können diese Einheiten etwas trocken ausfallen, wenn ihr keinen Zugang zu historischen Computern habt. Allerdings verschafft dieser Teil den Schüler:innen ein Verständnis für den Zusammenhang zwischen ihrem eigenen PC oder Tablet und dem Raspberry Pi. 

Weitere Raspberry Pi Projekte

• Die Bergische Universität Wuppertal bietet neben einem Skript für Lehrkräfte auch Arbeitsblätter und Lesetexte, die selbständiges Arbeiten ermöglichen. Der Fokus liegt auf alltäglichen Anwendungen. So kann beispielsweise eine Infrarotfernbedienung oder ein digitales Thermometer erstellt werden.
• Das Material “Programmiersprache mithilfe von Raspberry Pi Kennenlernen” von lehrer-online.de lehrt durch Lesematerial und Fragestellungen das Programmieren am Raspberry Pi. Zum Schluss sind Schüler:innen in der Lage, mit Python eigene Zeichnungen anzufertigen. Das Material bildet den Beginn eines langfristigen Projekts, der Astro Pi Challenge, bei der Teilnehmer:innen die Chance haben, mit selbstgeschriebenen Programmen wissenschaftliche Untersuchungen im All durchzuführen. Das restliche Material zur Challenge findet ihr hier und hier.

Egal ob Computerfreaks oder technische Anfänger, mit der vielfältigen Auswahl an frei zugänglichen Arduino- und Raspberry Pi-Projekten, die online zu finden sind, wird auch eure Klasse im Nu zu Programmierprofis. Kennt ihr noch weitere Projekte, die wir nicht genannt haben? Schreibt sie uns gerne in die Kommentare! Wir wünschen viel Spaß beim Ausprobieren!

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