Erstes Programmieren mit Kindern (1. - 4. Schulstufe)

Wer etwa vom Coden als grundlegender Kulturtechnik im Sinne des Schreibens 4.0 keine Ahnung hat, kann Computer und ihre virtuellen Welten weder für „gute“ noch „schlechte“ Zwecke einsetzen und ist umso mehr Sklave der heutigen Verhältnisse. (Himpsl-Gutermann et al., , S. 2)

In diesem e-Tapa wird eine didaktische Zugangsweise vorgestellt, mit der Kinder erste Erfahrungen mit Programmieren entwickeln können. Ausgangspunkt sind eigene Handlungserfahrungen, die in Folge auf Bodenroboter wie beispielsweise Bee-bots angewendet werden können. Das didaktische Prinzip basiert auf das E-I-S Prinzip von Bruner (1970) bei dem die Lerninhalte auf den Repräsentationen von eigenen Handlungen, bildhaften Darstellungen der Handlungen oder symbolhaft in Form von Zeichen oder sprachlichen Äußerungen dargestellt werden. Ziel ist, dass Kinder über Intermodalitätswechsel Lerninhalte auf verschiedenen Ebenen der Repräsentationen wiedergeben können. Erreichen sie dies, so haben sie zum Lerninhalt eine Grundvorstellung (Vom Hofe, 1995) entwickelt.

Informatische Inhalte in Form von eigenen Handlungen wiedergeben entspricht dem Konzept Unplugged Science (Informatik ohne Strom) von Bell, Alexander, Freeman, and Grimley (2009).

Zielgruppe: Primarstufe ab der 1. Schulstufe

Zeit: 1- 2 EH oder mehr

Roboterspiel – erstes Programmieren ohne Strom

Im Klassenverband wird besprochen, wie Roboter sich bewegen.

Roboterspiel: vielfach ist das Roboterspiel aus dem Kindergarten bereits bekannt, auch unter dem Namen Kommando Pimperle. Oft wurden die Befehle über Antippen am Rücken (vorwärts) und an den Schultern für die Links- bzw. Rechtsdrehungen gegeben.

Die Kinder spielen Roboter und bewegen sich abgehakt. Dabei wird besprochen, dass diese Bewegungen eingeschränkt sind auf     

(jeweils 1 Schritt)                   vorwärts

                                                           rückwärts

            (Viertelkreisdrehung, 90°)     Linksdrehung

                                                           Rechtsdrehung

Roboterspiel mit Zielführung: Einführung

Ein Roboterkind soll zu einem festgesetzten Ziel (zB. Sessel) gesteuert werden. Die Befehle vorwärts, rückwärts, Linksdrehung und Rechtsdrehung werden davor an der Tafel festgehalten. Zur schriftlichen Ausführung werden die Zeichen (siehe Abb. 1) festgehalten. Möglich ist auch ein Aufschreiben der Befehle in Englisch mit den entsprechenden Abkürzungen beispielsweise ab der ersten Klasse.

Abb. 2: Befehle für Roboterspiel, mögliches Tafelbild

Mit ausgeschnittenen Pfeilkarten (Vorwärtspfeil etwa in Kinderschrittlänge von 40cm) kann der Weg zusätzlich visualisiert werden. Diese Visualisierung der Wegstrecke kann gemeinsam diskutiert werden.

Abb. 3: Kinder legen Wegstrecke mit Pfeilkarten

Roboterspiel mit Zielführung in Gruppen zu 2 – 3 Kindern

Wenn vorhanden können die Wegstrecken mit Pfeilkarten ausgelegt werden.

A         Jede Gruppe setzt sich ein Ziel in der Klasse, am Gang oder im Turnsaal. Das Ziel kann markiert werden mit Teppichfliesen oder dergleichen. Ein Kind steuert das Roboterkind sprachlich mit den Befehlen an der Tafel. Danach werden die Rollen getauscht.

B         Die Abfolge der Befehle werden auf einen Papierstreifen notiert, je nach Wunsch der Kinder in Form der Pfeilsymbole oder der englischen Abkürzungen (die der Notation vieler Programmiersprachen (LOGO, etc.) folgen.

Es entsteht auf dem Papierstreifen ein Programm.

Abb. 4: Kinder der ersten Schulstufe mit Programm mit Pfeilsymbolen

Unterschiedliche Vorgehensweisen im Sinne einer natürlichen Differenzierung

zuerst wird schrittweise mit Pfeilkärtchen ausgelegt und dann das Programm notiert.

Etappenweises Auslegen der Pfeilkärtchen und Notation, dann weiter auslegen …

Notation des Programmes in voller Länge und Kontrolle über das Auslegen mit Pfeilkärtchen

Aufgaben zum Problemlösen

Ist es möglich 2 FD zu gehen ohne FD zu verwenden? (2 LT, 2 BK)

Eine zweimalige Drehung ergibt eine um 180° gedrehte Endposition, eine darauffolgende Rückwärtsbewegung, entspricht von der Ausgangsposition her gesehen eine Vorwärtsbewegung

Ist es möglich FD nach links zu gehen ohne LT zu verwenden? (3 RT, FD)

Linksdrehung im rechten Winkel hat den selben Endpunkt wie eine dreimalige Rechtsdrehung (Winkel – Gegenwinkel)

2 Roboterkinder kreuzen ihre Wege, welche Lösung gibt es um einen Zusammenstoß zu vermeiden? Dies ist vermutlich beim Roboterspiel schon vorgekommen und es wurde möglicherweise vereinbart, dass ein Roboterkind wartet. Dieses Warten kann mit dem Befehl Pause gleichgesetzt werden.

Die Lösungen werden gemeinsam auf Handlungsebene von den Kindern ausgeführt und vorgezeigt und besprochen.

Roboterspiel – Transformation das Spiels auf Rasterfeld

Pfeilkärtchen und Rasterfeld im Anhang als Kopiervorlage)

Basierend auf den Handlungserfahrungen kann das Roboterspiel mit Spielfiguren (zB. Duplo) auf einem Rasterblatt und Pfeilkärtchen (Siehe Anhang) dargestellt werden.

Die Kinder können mit Wendeplättchen einen Ziel- und einen Startpunkt vorgeben und diese Wege mit den Pfeilkärtchen auslegen.

Abb.: 5 Kinder legen mit Pfeilkärtchen auf Strecke mit Hindernissen

Als Differenzierung können die Kinder selbst Hindernisse legen, die nicht überschritten werden dürfen.

Differenzierungsmöglichkeit: Versucht in einem Zug zu programmieren und dann über die Pfeilkärtchen das Programm zu kontrollieren.

Iteration: FD, FD, FD, FD kann auch mit 4 FD notiert werden

Differenzierungsmöglichkeiten: 

Einbau von Hindernissen, die nicht überschritten werden dürfen

Ausschluss von Befehlen, wie etwa Linksdrehung LT

Mehrere Ziele müssen angesteuert werden

Mehrere Ziele müssen in festgesetzter Reihenfolge angesteuert werden

Aufschreiben des Programmes und in Folge die Wegstrecke legen

Programm einem Kind aufsagen und das Kind soll erkennen, wohin das Programm führt

Im Sinne einer natürlichen Differenzierung sollte den Kindern bei der Ausführung, auch wenn beispielsweise versucht werden soll in einem Zug zu programmieren, Freiraum gelassen werden, den Lösungsweg zu modifizieren. Diese Modifizierungen können Vereinfachungen sowie Erschwerungen im Sinne einer Selbstherausforderung sein.

Wichtig ist zum Abschluss von herausfordernden Aufgaben, dass alle Gruppen im Sinne einer Informatikkonferenz ihre Lösungen vorstellen, begründen und erklären. Alle richtigen Lösungen bzw. Lösungsansätze sind von der Lehrkraft zu bestärken.

Erster Einsatz von Bodenrobotern 

Aufgabe Quadrat

Mit den Kindern wird gemeinsam besprochen, was ein Quadrat ist und wie es beschrieben werden kann.

Die Kinder werden aufgefordert in Gruppen von 2 – 3 Kindern ein Quadrat zu legen und das Programm aufzuschreiben.

Tipp: Manche Kinder, auf auf der 2. Schulstufe, sind in der Lage das Programm ohne es mit den Pfeilkärtchen zu legen aufzusagen. Sie sehen das Quadrat in Form eines mentalen Bildes.

Abb.: 6: Quadrat, das mit Pfeilkärtchen ausgelegt ist

Diese Aufgabe entspricht einer dynamischen Geometrie, weil das Quadrat auf Handlungsebene gelegt und mit der Spielfigur, oder dem Kind als Roboterkind aktiv, dynamisch abgeschritten wird. Weiters wird bei der Notation des Programmes der Umfang des Quadrates beschrieben. 

Informatikkonferenz: Die einzelnen Gruppen stellen ihre Quadrate und deren Programm den anderen Kindern vor. 

Sehr viele Kinder erkennen die Regelmäßigkeit, dass die Strecke einer Seite und die Drehung immer 4 mal vorkommt. Dies kann auch an der Notation der Programm ersichtlich sein.

Differenzierungsaufgabe Rechteck bei gleicher Vorgansweise wie beim Quadrat.

Zuordnung der Ziele und Aufgaben zu den Kompetenzbereichen auf Basis von digi.komp4 - Das Kompetenzmodell (National-Competence-Center-eEducation-Austria, 2019)

Kinder ordnen Bilder von Bildgeschichten (4.3)

Kinder erklären ein Spiel in Form einer Spielregel (4.3)

Kinder erklären ein Kochrezept (4.3)

Kinder erkennen die Regelhaftigkeit von Vorgängen aus ihrer Lebenswelt und beschreiben diese (Kochrezept, Bildgeschichte, Ampelschaltung, Sirene …) (4.1)

Kinder beschreiben, dass Abläufe aus ihrer Lebenswelt, durch strikte Anordnungen bestimmt sind und nur in dieser Form funktionieren (Kochrezept, Ampelschaltung, etc.) (4.3)

Kinder zählen Abläufe aus ihrer Lebenswelt auf, die durch Algorithmen bestimmt sind (4.1, 4.3)

Kinder beschreiben Roboter aus ihrer Lebenswelt (Staubsauger-, Rasenmäher-, Spielzeugroboter) in ihren Funktionen (2.1, 2.4)

Kinder unterscheiden Roboter aus ihrer Lebenswelt (Staubsauger-, Rasenmäherroboter) in ihrer Funktionalität bezüglich deren menschlich gesteuerten Pendants (1.2)

Kinder beschreiben warum bestimmte Roboter sinnvoll sind warum Roboter in bestimmten Bereichen nicht sinnvoll sind (1.1, 1.2, 1.4)

digi.komp4 - Das Kompetenzmodell

1.1 Bedeutung von IT in der Lebenswelt der Kinder 

Ich kann wichtige Anwendungsgebiete der Informationstechnologie aus der Lebensumwelt anführen. 

Ich kann Bereiche nennen, in denen Computer Menschen nicht ersetzen können. 

Ich denke über meine Nutzung digitaler Medien nach und kann darüber mit meinen Eltern und Lehrpersonen sprechen 

1.2 Verantwortung bei der Nutzung von IT 

Ich kann reale und virtuelle Welten unterscheiden. 

1.4 Entwicklung und berufliche Perspektiven 

Ich kann einige Berufe nennen, in denen Computersysteme wichtig sind. 

2.1 Technische Bestandteile und deren Einsatz 

Ich kann digitale Geräte des täglichen Lebens benennen und verantwortungsvoll verwenden. 

2.4 Mensch-Maschine-Schnittstelle 

Ich weiß, dass digitale Geräte unterschiedlich zu bedienen sind und kann sie im täglichen Leben nutzen. 

4.1 Darstellung von Information 

Ich kann einige Informationen aus dem Alltag verschlüsseln und entschlüsseln. 

Automatisierung von Handlungsanweisungen 

Ich kann einfache Anleitungen verstehen und ausführen. 

Ich kann einfache Anleitungen erstellen. 

Didaktischer und pädagogischer Hintergrund

Programmieren bzw. Computational Thinking (Wing, 2006) ist mit Kindern bereits ab dem Kindergartenalter möglich (Schwill, 2001). 

Die beschriebenen didaktischen Inputs entsprechen psychologisch-didaktisch einer konstruktivistischen (Piaget, 1978) Vorgangsweise. Wichtig dabei ist, dass Kinder ihr Wissen durch eigenständiges Arbeiten selbst generieren können. Für die Entwicklung von informatischen Kompetenzen werden zahlreiche Erkenntnisse der mathematischen Fachdidaktik herangezogen. Dies kann dadurch begründet werden, dass die Informatik bis zum Aufkommen von elektronischen Computern Teil der Mathematik war und beide Disziplinen sehr viele Ähnlichkeiten besitzen (Savard & Highfield, 2015). Didaktisch wird versucht im Sinne einer Informatik ohne Strom (Bell et al., 2009), die informatischen Begrifflichkeiten stets auf den Repräsentationsstufen der Handlung des Bildes und des Symbols – im Sinne des E-I-S Prinzips nach Bruner (1970) abzubilden. Gelingen den Kindern  Wechsel dieser Repräsentationsstufen (beispielsweise eine symbolhafte, geschriebene Anweisung in eine Handlung zu übertragen) in mehreren Richtungen, so kann davon ausgegangen werden, dass sie eine Grundvorstellung generiert haben (Vom Hofe, 1995). Bei sämtlichen Aufgabestellungen wird versucht bei gleicher Problemstellung ein Arbeiten der Kinder in verschiedenen Schwierigkeitsgraden, die sie sich selbst aussuchen können, in einem von ihnen bestimmten Tempo zu ermöglichen (Sabitzer & Wagner, 2019). Dies erfüllt die Kriterien einer natürlichen Differenzierung (Krauthausen, Scherer, & Scherer, 2017) .

Bell, T., Alexander, J., Freeman, I., & Grimley, M. (2009). Computer science unplugged: School students doing real computing without computers. 13(1), 20-29. 

Bruner, J. S. (1970). Der Prozeß der Erziehung. Sprache und Lernen. 

Himpsl-Gutermann, K., Brandhofer, G., Frick, K., Fikisz, W., Steiner, M., Bachinger, A., . . . Lechner, I. Denken lernen–Probleme lösen (DLPL) Primarstufe. 

Krauthausen, G., Scherer, P., & Scherer, P. (2017). Natürliche Differenzierung im Mathematikunterricht: Konzepte und Praxisbeispiele aus der Grundschule: Kallmeyer in Verbindung mit Klett.

National-Competence-Center-eEducation-Austria. (2019). digi.komp4 - Das Kompetenzmodell. Retrieved from https://ec.europa.eu/education/sites/default/files/document-library-docs/icils-2018-policy-note.pdf

Piaget, J. (1978). Das Weltbild des Kindes (Vol. 35004): Klett-Cotta.

Sabitzer, B., & Wagner, W. (2019). Wege zum ersten Programmieren. OCG Journal, 1, 33-35. 

Savard, A., & Highfield, K. (2015). Teachers' Talk about Robotics: Where Is the Mathematics? Mathematics Education Research Group of Australasia. 

Schwill, A. (2001). Ab wann kann man mit Kindern Informatik machen. INFOS2001-9. GI-Fachtagung Informatik und SchuleGI-Edition, 13-30. 

Vom Hofe, R. (1995). Grundvorstellungen mathematischer Inhalte: Spektrum Akad. Verlag.

Wing, J. M. (2006). Computational thinking. Communications of the ACM, 49(3), 33-35. 

Kinder kennen Beispiele für Algorithmisierungen (ohne diese so zu benennen) und deren Prinzipien. Diese werden im e-Tapa Algorithmisierungen behandelt.

Kinder kennen Beispiele für Algorithmisierungen (ohne diese so zu benennen) und deren Prinzipien. Diese werden im e-Tapa Algorithmisierungen behandelt.

Kinder kennen Beispiele für Algorithmisierungen (ohne diese so zu benennen) und deren Prinzipien. Diese werden im e-Tapa Algorithmisierungen behandelt.