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Projekt-INF

LEGO Mindstorms – Spielend programmieren lernen
Betreuer Dr. rer. nat. Christoph Stach
Prüfer Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang
Ende2013/10/22
Beschreibung

 

Ausgangssituation

Personal Computer bahnten sich in den letzten Jahren unaufhaltsam ihren Weg und lassen sich in praktisch allen Bereichen unseres täglichen Lebens finden. Folgerichtig habe sie auch einen Platz im Lehrplan gefunden. Meist wird der Computer allerdings lediglich als leistungsfähige Schreibmaschine, Kommunikationsmittel oder bequeme Informationsquelle eingesetzt. Das volle Potential, das der Computer als Lehrmittel haben könnte, wird selten ausgeschöpft. Papert [1] adressierte  mit seinem Buch genau dieses Problem und formulierte die These, dass Kinder, wenn sie einen sinnvollen Umgang mit dem Computer erlenen, in allen schulischen Bereichen davon profitieren.

Der Spielwarenhersteller LEGO griff mit dem Mindstorms Invention System [2] Paperts These wieder auf. Das Kernstück von LEGO Mindstorms ist, neben Elektromotoren, diversen Sensoren und Verbindungsstücken, der NXT genannte programmierbare Steuerungscomputer. Programme für den NXT können mit der von LEGO bereitgestellten grafikbasierten Programmierumgebung NXT-G erstellt werden. Es existiert aber auch eine Vielzahl alternativer Programmiermöglichkeiten (z.B. leJOS [3]).

Dass es sich bei Mindstorms um viel mehr als ein technisches Spielzeug handelt [4], zeigt ein Blick ACM Digital Library, in der der Suchbegriff „Mindstorms“ über 800 Ergebnisse liefert. Zentrales Thema dieser Arbeiten ist die Frage, wie man die Mindstorms-Technologie im Unterricht (z.B. [5]) oder im Studium (z.B. [6]) einsetzten kann. Allerdings leidet Mindstorms an einigen Kinderkrankheiten (ungenaue Sensoren, unausgereifte Software, eingeschränkte Debugging-Möglichkeiten, usw.), weshalb die Nutzung von Mindstorms als Lehrmittel zwar grundsätzlich möglich ist, aber zunächst sollte ein klar formuliertes Einsatzszenario abgesteckt werden [7]. Richtig eingesetzt kann Mindstroms die Motivation der Schüler an der Informatik wecken und den Lernprozess gewaltig steigern [8].

Ziel und Aufgabenstellung

Ziel dieser Arbeit ist es, einen Schüler-Workshop für die gymnasiale Oberstufe mit LEGO Mindstorms zu konzipieren. In diesem Workshop sollen die Schüler möglichst selbstständig eine Problemstellung bearbeiten und eine Lösungsstrategie programmatisch umzusetzen. Dadurch soll das Interesse am Studiengang Informatik geweckt bzw. gefördert werden.

Zu diesem Zweck müssen im Rahmen des Projekt-INFs eine für einen Mindstorms-Workshop geeignete Problemstellung erarbeitet und ein dafür passendes Robotermodell, konzipiert, erbaut und anschließend programmiert werden. Die Programmierung der Roboter soll sowohl mittels NXT-G, als auch mittels leJOS erfolgen. Die Workshop-Inhalte sollen interessant und motivierend gestaltet sein, müssen sich aber auch von Laien bewerkstelligen lassen.

Da die erstellten Programme den Workshop-Teilnehmern zugänglich gemacht werden, muss der komplette Java-Quellcode den offiziellen Programmierrichtlinien von Sun [9] entsprechen und ausreichend kommentiert sein. Es dürfen nur solche Bibliotheken verwendet werden, deren Lizenzmodell einem schulischen Einsatz nicht widerspricht.

Die Ergebnisse dieser Arbeit müssen in einem wissenschaftlichen Paper und einem hochschulöffentlichen Vortrag präsentiert werden.

Zu erstellende Artefakte

  • Ausformulierte Problemstellung
  • Ein Robotermodell
  • Programmcode als NXT-G-Projekt
  • Programmcode als Eclipse-Projekt
  • Arbeitsmaterial für den Workshop
  • Präsentationsmaterial für den Workshop
  • Wissenschaftliches Paper gemäß den Formatvorgaben
  • Präsentationsmaterial für den hochschulöffentlichen Vortrag

Organisatorisches

Art der Arbeit Projekt-INF
Titel LEGO Mindstorms – Spielend programmieren lernen
Englischer Titel Computer Science is Fun – Learning with LEGO Mindstroms
Betreuer Dipl.-Inf. Christoph Stach
Prüfer Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Mitschang
Start ab sofort

 

Literatur

[1]          S. Papert, Mindstorms: Children, Computers, and Powerful Ideas. Basic Books, Inc., 1980.

[2]          The LEGO Group, “LEGO Mindstorms,” http://mindstorms.lego.com/en-us/default.aspx, February 2013.

[3]          L. Griffiths, A. Shaw, R. Glassey, S. Köhler, B. Bagnall, J. A. B. Moral, J. Stuber, M. P. Scholz, and J. Solorzano, “leJOS: Java for LEGO Mindstorms,” http://lejos.sourceforge.net/, February 2012.

[4]          P. B. Lawhead, M. E. Duncan, C. G. Bland, M. Goldweber, M. Schep, D. J. Barnes, and R. G. Hollingsworth, “A Road Map for Teaching Introductory Programming Using LEGO Mindstorms Robots,” ACM SIGCSE Bulletin, vol. 35, pp. 191–201, 2002.

[5]          A. K. Lui, S. C. Ng, Y. H. Y. Cheung, and P. Gurung, “Facilitating Independent Learning with Lego Mindstorms Robots,” ACM Inroads, vol. 1, pp. 49–53, 2010.

[6]          W. I. McWhorter and B. C. O’Connor, “Do LEGO Mindstorms Motivate Students in CS1?” in Proceedings of the 40th ACM technical symposium on Computer science education, 2009.

[7]          M. McNally, M. Goldweber, B. Fagin, and F. Klassner, “Do LEGO Mindstorms Robots Have a Future in CS Education?” in Proceedings of the 37th SIGCSE technical symposium on Computer science education, 2006.

[8]          D. C. Cliburn, “Experiences with the LEGO Mindstorms throughout the Undergraduate Computer Science Curriculum,” in Proceedings of the 36th Annual Frontiers in Education Conference, 2006.

[9]          Sun Microsystems, Inc., “Code Conventions for the Java Programming Language,” Oracle Corporation, Tech. Rep., 1999. [Online]. Available: http://­www.oracle.com/­technetwork/­java/­codeconv-138413.html