MINT-Toolbox für den Unterricht

Mit Umweltdaten die digitale Bildung verändern

Digitale Umweltmesssgeräte bauen und programmieren, das bereichert den Unterricht in vielerlei Hinsicht. Neben dem Lernen von Programmieren mit Hilfe einer graphischen Programmieroberfläche, steht das Forschen und Tüfteln im Vordergrund. Durch Messung, Erhebung und Verarbeitung von realen Umweltdaten findet man viele Einsatzmöglichkeiten in unterschiedlichen MINT-Lehrplänen.

Die grafische Programmieroberfläche ermöglicht einen schnellen und einfachen Einstieg ohne Vorkenntnisse.

„Zwei große Themen unserer Zeit, Klima und Digitalisierung, müssen auch in der Schule bearbeitet werden. Dies gelingt am besten durch den Einsatz geeigneter digitaler Werkzeuge, um den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit zu geben, durch eigene Erfahrungen Zusammenhänge zu verstehen.“

Adriane Castrinakis (IGS Norden) und Paul J Wege (KGS Niederrad) haben die senseBox im Rahmen des Digital Literacy Labs kennengelernt und eine Unterrichtseinheit entwickelt. Sie berichten von ihren Erfahrungen, Bedenken und offenen Fragen.

Toolkit für den Bildungsbereich

Eine blinkende LED, viel mehr braucht es meistens nicht und das Interesse der Schülerinnen und Schüler, ganz gleich welcher Jahrgangsstufe, ist geweckt. Doch der Einsatz von Mikrocontrollern, Sensoren und Aktoren in der Schule ermöglicht weitaus mehr als einen Einstieg in die Programmierung. Die senseBox ist ein Toolkit für den Bildungsbereich, das es Lehrerinnen und Lehrern ermöglicht, spannende Projekte mit ihren Schülerinnen und Schülern in verschiedenen Fächern zu planen und umzusetzen.

„Tools wie die SenseBox sind keine Medien, die einfach sinnfrei im Unterricht verwendet werden können, nur um etwas ,Digitales‘ oder Innovatives einzusetzen. Schülerinnen und Schüler lernen hier mit einfachen Mitteln, Daten zu erheben und selbst etwas zu programmieren. So kann man zum Beispiel Umweltdaten wie die Temperatur oder die Lautstärke damit messen.“

Die senseBox fühlt sich nicht nur bei der Verwendung in Informatik oder Physik wohl, sondern ermöglicht vor allem ein fächerübergreifendes Arbeiten auf verschiedenen Ebenen. Dabei spielt das Thema Umwelt immer wieder ein Kernelement in der Motivation der Schülerinnen und Schüler, der Aufgabenstellungen und des Inhalts. Mit Umweltdaten, wie zum Beispiel Wetterdaten auf dem Handy, kommen die Lernenden fast täglich in Kontakt. Wie diese Daten erhoben und verarbeitet werden, bleibt meistens unklar. Durch das Erheben von eigenen Umweltdaten kann ein kritisches Denken und ein reflektierter Umgang mit Messwerten bei den Lernenden gefördert werden. Der Bau der Messgeräte zeigt, welche Technik sich hinter vielen Alltagsgegenständen verbirgt und die Programmierung entschlüsselt die Funktionsweise der digitalen Welt.

Ausprobieren und Fehler machen gehört zum Prozess dazu. Wichtig ist, dass diese Erfahrung gemacht wird. © Andi Weiland

Daten miteinander teilen

Die openSenseMap – das zentrale Datenportal für die senseBox und weitere Umweltmessstationen – kann von den Schülerinnen und Schülern genutzt werden, um die gemessenen Daten mit anderen Nutzerinnen und Nutzern zu teilen. Zusätzlich können über die Plattform Umweltdaten zu verschiedenen Phänomenen, wie zum Beispiel Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit und Feinstaub, von über 5000 Stationen weltweit abgerufen werden. Die Messstationen werden ausschließlich von Bürgerinnen und Bürgern und nicht von professionellen Institutionen aufgebaut und verwaltet.

„Jede Lehrkraft hat natürlich berechtigte Zweifel: Nur weil es etwas Neues gibt, heißt es nicht, dass das eine Verbesserung oder Erleichterung für den Unterricht bringt. Die  Innovation an sich motiviert Schülerinnen und Schüler nur kurzfristig, wenn kein tatsächlicher Mehrwert gegeben ist. Bei der sense-Box wird aber Forschen in der Schule auf eine professionelle Ebene gehoben, da die Messwerte in ein weltweit agierendes Messnetzwerk eingespeist werden. Als Lehrkraft hat man im Schulalltag selten Zeit, sich in neue Themen einzuarbeiten, deswegen gibt es eine gewisse Hemmung schon wieder etwas Neues umzusetzen, nur weil es gerade gehypt wird. Außerdem denkt man als Lehrerin oder als Lehrer häufig, dass alles ,laufen‘ muss, um Chaos im Klassenraum zu vermeiden. Das bedeutet für viele Lehrerinnen und Lehrer, dass ein Einbinden von neuen, digitalen Medien einen großen Vorbereitungsaufwand verursacht, um auf alle möglichen Eventualitäten vorbereitet zu sein.“

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Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten

Offene Bildungsmaterialien unterstützen das Arbeiten mit der senseBox. Diese können von den Lehrenden nach eigenem Ermessen verändert und kopiert werden. Als primär visuelle Programmieroberfläche wird das offene System Blockly verwendet. Durch die visuelle Vereinfachung der Programmiersprache eignet sich das Tool für die Grundlagenvermittlung. Trotzdem können auch komplexere Elemente, wie zum Beispiel Logiken, die Verwendung von Funktionen und Variablen, in der Programmierung verwendet werden.

„Zum Forschen gehören sowohl positive als auch negative Erfahrungen, die dann letztendlich zum Erfolg führen. Man muss Hürden überwinden, ausprobieren, scheitern, erneut probieren und das Ganze vielfach wiederholen. Der größte Irrtum ist zu glauben, dass alles sofort klappt und dass man alles allein machen muss. Es gibt genügend Schülerinnen und Schüler, die forschen, programmieren, basteln und tüfteln wollen, und die einem helfen können. Außerdem bieten verschiedene Webseiten Tutorials, die man sich zusammen mit den Lernenden anschauen kann.“

Schnittstellen mit dem Lehrplan für verschiedene Fächer gibt es viele. Vom Fadenpendel im Physikunterricht, bei dem Daten der Beschleunigung mit Hilfe des Beschleunigungssensors digital erfasst werden, der Farbenlehre in Kunst, aber auch bis hin zu elektronischen Tönen in Musik, ist für jeden Fachunterricht etwas dabei. Durch die verschiedenen Schnittstellen kann die informatische Bildung in die unterschiedlichsten Fächer integriert werden. So können auch Schülerinnen und Schüler, welche nicht Informatik gewählt haben, einen ersten Zugang zur Technik und Funktionsweise unseres digitalen Alltags erhalten.

Durch die Verwebung von Umwelt und Technik lassen sich die Aspekte des Dagstuhl Dreiecks zusammen mit den Lernenden bearbeiten. Das Dagstuhl-Dreieck verdeutlicht die verschiedenen Perspektiven der digital vernetzten Welt.1 Die technologische Perspektive lernen die Schülerinnen und Schüler durch das eigenständige Arbeiten mit den verschiedenen Hardwarekomponenten. Sie lernen die Besonderheiten der Sensoren und die verschiedenen Möglichkeiten, ein Messgerät selbst zu bauen, kennen. Durch das Teilen der Daten über eine freie Plattform tragen sie ihre Ergebnisse in die Gesellschaft und bekommen einen Einblick, wie die Daten von der Gesellschaft verwendet oder auch kritisch betrachtet werden. Zuletzt kann auch die anwendungsbezogene Perspektive näher untersucht werden. Die Schülerinnen und Schüler werden direkt zu den Anwendern der selbstgebauten Messgeräte.

Modernen Unterricht gestalten

Durch die enge Verknüpfung der informatischen Inhalte mit dem direkten Bezug zur eigenen Umwelt und der Möglichkeit, eigene Fragestellungen zu bearbeiten, können viele Aspekte in den modernen Unterricht interdisziplinär eingebunden werden.

Insbesondere natürliche Themengebiete, welche die Messung von Phänomenen beinhalten, können mit selbstgebauten Messgeräten erfasst werden. Die Lernenden bauen also ihre eigenen Messgeräte für Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck, Abstände, Lautstärke, Beleuchtungsstärke und vieles mehr. Die Messwerte können entweder auf einem Display angezeigt oder auf einer beiliegenden SD-Karte gespeichert werden. Aber auch die Übertragung ins Internet ist möglich, um die Daten dort zu speichern, zu visualisieren und später auch herunterzuladen. Beim Übertragen der Messwerte ins Internet, kommen die Schülerinnen und Schüler mit modernen Webtechnologien in Kontakt.

Foto: Reedu GmbH

„Die senseBox kann zu jedem Thema eingesetzt werden, in dem Daten erhoben werden müssen. Die Möglichkeiten fächerübergreifend zu unterrichten sind vielfältig: Daten müssen erhoben werden (alle Naturwissenschaften), die erhobenen Daten müssen ausgewertet werden (Mathematik), dargestellt werden (Mathematik und Kunst), diskutiert werden (Gesellschaftslehre, Deutsch, Fremdsprachen), die Ergebnisse können schriftlich festgehalten und publiziert werden (Deutsch, Fremdsprachen) und vieles mehr.”

Die Idee hinter der senseBox ist bereits im Jahr 2013 entstanden, als im Schülerlabor GI@School des Instituts für Geoinformatik Schülerinnen und Schüler, in Begleitung mit Studierenden verschiedenster Fachbereiche, mit einfachen Mikrocontrollern erste Schritte der Programmierung lernten und Messgeräte für das Erfassen von Umweltphänomen
bauten. Aus der Idee ist im ersten Schritt eine Zusammenstellung von Komponenten entstanden, die frei erhältlich und nicht speziell angepasst war. Mittlerweile wird die senseBox von der Reedu GmbH & Co. KG gebaut, weiterentwickelt und vertrieben. Das Start-up ist eine Ausgründung der ehemaligen Forschungsgruppe und besteht größtenteils aus ehemaligen
Mitarbeitenden der Universität Münster. Neben der Entwicklung der senseBox-Versionen bietet das Unternehmen auch Fortbildungen rund um das Thema Digitale Bildung an.

Referenzen

senseBox Website: sensebox.de
openSenseMap: openSenseMap.de
Digital Literacy Lab: dl-lab.org
Reedu GmbH & Co. KG: https://reedu.de


1Gesellschaft für Informatik e.V. (Hrsg), 2016: Dagstuhl Erklärung - Bildung in der digitalen vernetzten Welt.
Online verfügbar unter: gi.de/fileadmin/GI/Hauptseite/Themen/Dagstuhl-Erkla__rung_2016-03-23.pdf.