Masterarbeit "Programmieren mit dem micro:bit"

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Unterrichtsarrangement zu der Kompetenz MI 2.2 des Lehrplans 21 entstanden. Diese Kompetenz sieht vor, dass Lernende einfache Problemstellungen analysieren, mögliche Lösungsverfahren beschreiben und in Programmen umsetzen können sollen (D-EDK2016: 16). Dabei steht der Mikrocomputer BBC micro:bit im Zentrum. Das entstandene Entwicklungsprodukt besteht aus verschiedenen Unterrichtsmaterialien. Ein didaktischer Kommentar leitet die Lehrperson an, wie sie das Setting im Unterricht einsetzen kann. Ein Arbeitsplan dient den Lernenden als Übersicht und Arbeitsinstrument. Das Set beinhaltet 24 Aufträge, mit welchen die Lernenden im Sinne desentdeckenden Lernens die grundlegenden Programmierkonzepte erarbeiten. Zu jedem dieser Aufträge gibt es ein entsprechendes Minibook, welches gestufte Hilfen enthält und die Lernende bei der selbstständigen Arbeit unterstützen soll. Eingeplante Zwischenstopps sollen dazu dienen, das informatische Konzeptwissen der Lernenden aufzubauen und einen Ausgleich zum Produktwissen zu schaffen. In drei Ergänzungskarten lernen die Lernenden die Grundlagen zum micro:bit kennen.

Angestrebte Qualitätsmerkmale des Unterrichtsarrangements sind neben dem Kompetenzerwerb der Lernenden, eine umfassende Individualisierung und Differenzierung sowie die Praxistauglichkeit der Unterrichtsmaterialien. Letzteres wurde mittels einer schriftlichen Befragung von drei Experten evaluiert. Die Antworten der einzelnen Experten wurden einander gegenübergestellt und so qualitativ ausgewertet. Die Evaluation hat ergeben, dass das entstandene Entwicklungsprodukt praxistauglich ist.

Zur Masterarbeit von Joël Waeber

Relevanz und Übersicht

Mit der Einführung des Lehrplans 21 bekommt der Bereich Informatik eine neue Bedeutung. Bis anhin wurde mehrheitlich im Anwendungsbereich gearbeitet. Kompetenzfelder des neuen Lehrplans, wie beispielsweise das Programmieren, sind vielen Lernenden und auch Lehrkräften fremd. Das IdeenSet «Programmieren mit dem micro:bit» ermöglicht den Lernenden genau diese Kompetenzen effizient und auf spielerische Art und Weise zu erlangen.

Das IdeenSet ist abgestimmt auf den Unterricht im dritten Zyklus. Dabei werden grundlegende Programmierkompetenzen vermittelt. Ein grosses Anliegen des IdeenSets ist, dass ein breites und heterogenes Zielpublikum angesprochen wird. Es soll für Lernende mit unterschiedlichen Leistungsniveaus und unterschiedlichen Interessen möglich sein, selbstständig daran zu arbeiten. Um dies zu erreichen, wurden 24 Aufträge in verschiedenen Interessensfelder und mit verschiedenen Schwierigkeitsgraden erstellt. Sollten die Lernenden bei deren Bearbeitung von allein nicht weiterkommen, können sie auf gestufte Hilfen zurückgreifen. Diese kommen in Form von Minibooks daher.

Programmiert wird in der Entwicklungsumgebung MakeCode von Microsoft. Von dort aus können die Programme einfach auf den micro:bit geladen werden.

Vorkenntnisse und Lehrplanbezug

Vorkenntnisse

Im IdeenSet «Programmieren mit dem micro:bit» werden die Programmierkompetenzen von Grund auf aufgebaut. Die Lernenden benötigen daher keine Vorkenntnisse. Im Verlaufe der Bearbeitung werden jedoch neue Konzepte, wie z.B. Variablen oder Vergleichsoperatoren hinzukommen. Gewisse Lernende benötigen dafür zusätzliche Hilfe von der Lehrperson.

Lehrplanbezug

Der Lehrplan 21 sieht vor, dass die Lernenden einfache Problemstellungen analysieren, mögliche Lösungsverfahren beschreiben und in Programmen umsetzen können. Für den dritten Zyklus wird diese Grundkompetenz noch einmal spezifiziert. (D-EDK 2016: 16).

Die Lernenden…

• können selbstentdeckte Lösungswege für einfache Probleme in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Schleifen, bedingten Anweisungen und Parametern formulieren. (MI.2.2 g)
• können selbstentwickelte Algorithmen in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Variablen und Unterprogrammen formulieren. (MI.2.2 h)
• können verschiedene Algorithmen zur Lösung desselben Problems vergleichen und beurteilen (z.B. li-neare und binäre Suche, Sortierverfahren). (MI.2.2 i)

Das IdeenSet bietet den Lernenden die Möglichkeit an diesen Kompetenzen zu arbeiten. Kompetenz MI.2.2 i wird jedoch nur am Rande behandelt.

Bestandteile

Arbeitsplan

Die verschiedenen Aufträge sind auf einem Arbeitsplan zusammengefasst. Dieser soll den Lernenden als Übersicht und Arbeitsinstrument dienen. Angelehnt an die Kompetenzen des Lehrplans 21 wurden die 24 Aufträge in fünf thematische Blöcke unterteilt. Diese kann man farblich unterscheiden. Der erste Themenblock dient als Einführung. Hier werden noch keine konkreten Programmierkonzepte erarbeitet. Es geht darum, den micro:bit und die Entwicklungsumgebung MakeCode kennenzulernen. In den nächsten drei thematischen Blöcken wurde jeweils der Fokus auf die drei Programmierkonzepte «bedingte Anweisungen», «Variablen» und «Schleifen» gesetzt. Der letzte Themenblock enthält weiterführende Aufgaben. Die Themenblöcke müssen der Reihe nach bearbeitet werden, weil gewisse Inhalte und Kompetenzen chronologisch aufgebaut werden.

Auftragskarten

Zu allen 24 Aufträgen gibt es jeweils eine Karte. Diese ist farblich so abgestimmt, dass sie einem der fünf Themenblöcken zugeordnet werden kann. Vom kreisförmigen Symbol oben rechts, erfährt man zusätzlich die Nummer, sowie den Schwierigkeitsgrad des Auftra-ges. Gewisse Auftragskarten enthalten ausserdem Informationen zum zusätzlich benötigten Material oder den zusätzlichen Hilfestellungen (Ergänzungskarten).

Ergänzungskarten

Die Lernenden erhalten für gewisse Tätigkeiten Unterstützung mittels Ergänzungskarten. In diesen erfährt man unter anderem, wie man ein Programm auf den micro:bit lädt, aus welchen Bestandteilen dieser besteht und wie man damit Spiele programmieren kann.

Minibooks – Gestufte Hilfen

Zu jeder Auftragskarte enthält das IdeenSet ein entsprechendes Minibook. Dieses dient den Lernenden als Hilfestellung. Da die Aufträge der Auftragskarten bewusst offen gestellt wurden, gibt es zwangsläufig Lernende, welche diese nicht ohne Hilfe lösen können. Die Minibooks enthalten gestufte Hilfestellungen. Daher bekommen die Lernenden genau so viel Un-terstützung, wie sie brauchen. Die Minibooks können ausgedruckt, und anschliessend gemäss der Faltanleitung gefaltet werden. Der Aufbau der Minibooks soll eine voreilige Benutzung der Hilfen verhindern.

Inszenierung und Unterrichtsmaterialien

Sozialform

Idealerweise bearbeiten die Lernenden das IdeenSet allein. Das bringt den Vorteil, dass sehr individuell gearbeitet werden kann. Kleinere Gruppen von zwei bis maximal vier Lernende wären aber auch denkbar. Die Sozialform und die allfällige Organisation der Lerngruppen werden der unterrichtenden Lehrperson überlassen.

Lernmaterialien

Idealerweise sollte jede Lerngruppe einen kompletten Satz der oben aufgelisteten Lernmaterialien zur Verfügung haben. Diese können den Lernenden auch digital zur Verfügung gestellt werden. Wenn man sich dementsprechend arrangiert, ist es natürlich auch möglich mit weniger zur Verfügung stehenden Materialsets zu unterrichten. Zum Einsatz und der Bereitstellung der Minibooks soll an dieser Stelle noch etwas angemerkt werden. Gewisse Lernende neigen dazu, die Hilfestellungen voreilig zu benutzen. Aus diesem Grund werden folgende zwei Vorschläge zu deren Einsatz gemacht:

• Die Minibooks stehen den Lernenden uneingeschränkt zur Verfügung. Dies erfordert eine grosse Eigenverantwortung der Lernenden.
• Die Lehrperson behält die Minibooks bei sich und die Lernenden fragen danach, sobald sie diese benötigen. Dies gibt der Lehrperson eine gewisse Kontrolle.

Hardware

Um mit dem IdeenSet «Programmieren mit dem micro:bit» zu arbeiten, benötigt es sehr wenig zusätzli-ches Material. Das optionale Material wird nur in einzelnen Arbeitsaufträgen verwendet. Notfalls kann so-gar ohne Programmierhardware, nur mittels Simulators von MakeCode programmiert werden. Pro Lerngruppe benötigt es folgende Ausrüstung:

Erforderliches Material:

• Computer
• 1 BBC micro:bit inkl. USB-Kabel und ggf. Batterie-Pack

Optionales Material:

• 5 Kabel mit Klemmen
• 1 Kopfhörer mit Klinkenstecker
• ev. zwei kleine Nägel oder Stecknadeln
• 2 Früchte (Diese können natürlich danach gegessen werden.)
• ca. 1 Meter unisolierter Draht
• 1 A4-Blatt • Klebeband

Wie wird mit dem IdeenSet gearbeitet?

Das IdeenSet hat die Form eines Leitprogrammes. Es bietet also Materialien zum Selbststudium an. Dabei dient der Arbeitsplan den Kindern als Orientierungshilfe. Die Lerninhalte sind in einzelne Pakete unterteilt, welche chronologisch bearbeitet werden. Innerhalb dieser thematischen Blöcke hat es ein Überangebot an Aufträgen. Es ist nicht vorgesehen, dass alle Aufträge durchgeführt werden müssen. Für den Einsatz des Arbeitsplanes werden wiederum zwei Vorschläge gemacht:

• Der Arbeitsplan mit Fundamentum und Additum wird verwendet. Dieser enthält obligatorische und frei-willige Aufträge. Erstere sind durch die fettgedruckte Schrift gekennzeichnet. Diejenigen Lernenden, die schnell arbeiten oder diejenigen die viel Übung benötigen haben so die Möglichkeit pro Themenblock noch zusätzliche Aufgaben zu bearbeiten.
• Der Arbeitsplan ohne Einschränkung wird verwendet. Die Kinder bearbeiten innerhalb eines Themenpakets genau so viele Aufträge, bis sie die angestrebten Kompetenzen beherrschen. Dies hat den Vorteil, dass alle Lernenden in ihrem eigenen Tempo arbeiten können und dass die Lernenden den Schwierigkeitsgrad und den thematischen Kontext des Auftrags frei auswählen können.

Schwächere Kinder benötigen in der Regel etwas mehr Übung als stärkere. Dement-sprechend bearbeiten sie vielleicht die ersten Themenblöcke etwas umfassender. Leistungsstärkere Lernenden hingegen erlangen vermutlich die angestrebten Kompetenzen der ersten Themenblöcke schneller und vertiefen sich dafür mehr in den erweiterten Aufgaben.

Quellen und Abbildungsverzeichnis

Quellen Didaktischer Kommentar

• Deutschschweizer Erziehungsdirektoren-Konferenz (D-EDK) (2016): Lehrplan 21 - Broschüre Medien und Informatik
• Hartmann / Näf / Reichert (2006): Informatikunterricht planen und durchführen. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag.

Abbildungsverzeichnis

• Didaktischer Kommentar: Sämtliche Bildquellen des didaktischen Kommentars wurden von Joël Waeber erstellt.
• IdeenSet: Sämtliche Bildquellen der Unterrichtsmaterialien des IdeenSets stammen von Internetseiten mit lizenzfreien Bildern, sind Bildschirmfotos der Internetseite https://makecode.microbit.org/ oder wurden von Joël Waeber erstellt und lizenzfrei genutzt werden.