Hintergrund

Der Mars Rover: Erkunden Sie die Geologie des Mars-Unterrichts und machen Sie und Ihre Schüler mit dem Erstellen von VEXcode GO-Projekten zur Lösung eines Problems vertraut. Die Aktionen des Perseverance-Rovers und der Mars-2020-Mission dienen als Inspiration für die Herausforderungen, die die Schüler mit VEXcode GO und dem Code Base-Roboter bewältigen werden. Die von ihnen erstellten Projekte müssen Datenträger sammeln und diese anhand von Sensordaten nach Farbe sortieren.

NASAs Mars-2020-Mission

Die Mars-2020-Mission der NASA widmet sich wichtigen wissenschaftlichen Zielen der Marserkundung: Leben, Klima, Geologie und Menschen. Der Marsrover Perseverance 2020 soll die Geologie des Mars besser verstehen und nach Zeichen urzeitlichen Lebens suchen. Die Mission wird das Gebiet um den Jezero-Krater erkunden, einen geologisch vielfältigen Landeplatz, und dabei insbesondere nach besonderen Gesteinen suchen, von denen bekannt ist, dass sie im Laufe der Zeit Lebenszeichen bewahren¹. 

Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Gebiet des Jazero-Kraters einst überflutet war und sich dort ein altes Flussdelta befand. Wissenschaftler sehen Hinweise darauf, dass Wasser Tonmineralien aus der Umgebung in den Kratersee getragen hat. Es ist denkbar, dass während einer oder mehrerer dieser feuchten Zeiten mikrobielles Leben in Jezero existierte. Wenn ja, könnten Spuren ihrer Überreste im Seegrund oder in den Küstensedimenten gefunden werden. Wissenschaftler werden untersuchen, wie sich die Region gebildet und entwickelt hat, nach Zeichen früheren Lebens suchen und Proben von Marsgestein und -boden sammeln, in denen diese Zeichen möglicherweise erhalten sind. 

Was ist ein Planetengeologe?

Ein Planetengeologe ist jemand, der untersucht, wie Himmelskörper (Planeten, Monde, Asteroiden, Kometen und Meteoriten) im Laufe der Zeit entstehen und sich entwickeln. Sie nutzen unser Wissen über die Erde, um zu verstehen, wie andere Himmelskörper funktionieren. Planetengeologen erforschen beispielsweise den inneren Aufbau von Planeten und untersuchen außerdem Oberflächenprozesse wie den Vulkanismus auf Planeten. Planetengeologen müssen mit viel weniger Daten auskommen als terrestrische Geologen. Da sie nicht selbst vor Ort Informationen sammeln können, sind sie weitgehend auf Daten angewiesen, die aus der Ferne erhoben werden.

Was ist ein Rover?

Planetengeologen arbeiten mit Rovern, um Informationen über das Gelände zu sammeln und Proben von Gestein, Schmutz, Erde und sogar Flüssigkeiten zu sammeln.  Ein Rover ist ein Gerät, das dazu konzipiert ist, sich auf der festen Oberfläche eines Planeten oder eines anderen Himmelskörpers (wie dem Mars) fortzubewegen. Da Wissenschaftler derzeit nicht selbst zum Mars fliegen können, sind sie auf Robotergeologen – die Rover – angewiesen, die Gestein und Boden analysieren und Daten für sie sammeln. 

Derzeit absolviert der Rover Perseverance die Mars-2020-Mission der NASA und sammelt Gesteins- und Bodenproben für eine mögliche Rückkehr zur Erde. Um seine Aufgabe zu erfüllen, trägt der Rover Perseverance eine Reihe von Sensoren und wissenschaftlichen Instrumenten mit sich, die Gestein und Böden auf der Marsoberfläche analysieren und andere wichtige Aufgaben und Studien durchführen werden. For more information on the Mars 2020 Mission and details on the features of the Perseverance Rover, see NASA’s Mars 2020 Mission Overview website.

Was ist ein Sensor?

Ein Sensor ist im Wesentlichen ein Gerät, das einem Roboter hilft, die Welt um ihn herum zu verstehen. Dies geschieht durch das Sammeln und Melden von Daten über seine Umgebung, die dann in einem Projekt verwendet werden können, um den Roboter dazu zu bringen, Entscheidungen zu treffen oder bestimmte Verhaltensweisen auszuführen. Man kann sich diese Abfolge als eine Entscheidungsschleife aus dem Stil „Sinn, Denken, Handeln“ vorstellen.

In dieser Einheit verwendet die Codebasis den Augensensor, um die Farbe der Scheiben zu erkennen, die vom Elektromagneten aufgenommen werden. Sowohl der Augensensor als auch der Elektromagnet sind Sensoren, die es der Code-Basis ermöglichen, mit ihrer Umgebung zu interagieren und die Sense-Think-Act-Entscheidungsschleife auszuführen.  In den von den Schülern erstellten Projekten nimmt der Elektromagnet die Scheiben auf und der Augensensor erkennt die Farbe einer Scheibe. Anschließend befiehlt der VEXcode GO Think, eine Entscheidung zu treffen, die auf der Farbe der erkannten Scheibe basiert. Anschließend führt die Codebasis eine Aktion aus, indem sie zu einem angegebenen Ort fährt und die Disk basierend auf der erkannten Farbe ablegt.

Was ist der Elektromagnet? 

Ein Elektromagnet ist ein Magnettyp, bei dem durch einen elektrischen Strom ein Magnetfeld erzeugt wird. Der VEX GO-Elektromagnet kann Scheiben mit Metallkernen aufnehmen und ablegen. Beim Code Base – Eye + Electromagnet-Build befindet sich der Elektromagnet an der Vorderseite des Roboters.

Der Block [Elektromagnet aktivieren] wird zum „Beschleunigen“ und „Absenken“ von Disks in VEXcode GO verwendet.

Mit der Einstellung „Boost“ können Sie eine Disk aufnehmen.

Mit der Einstellung „Drop“ können Sie eine Disk freigeben.

For more information on using the Electromagnet, see the Coding with the VEX GO Electromagnet VEX Library Article. 

Was ist der Augensensor?

Der Augensensor ist ein Sensor, der drei Dinge feststellen kann: die Anwesenheit eines Objekts, seine Farbe und die Helligkeit eines Objekts oder einer Oberfläche. Beim Code Base – Auge + Elektromagnet-Build befindet sich der Augensensor hinter dem Elektromagneten und ist nach unten gerichtet. Dadurch kann der Augensensor die Farbe einer Disk erkennen, sodass sie anhand der Farbe sortiert werden kann. For more information on the different uses of the Eye Sensor, see the Coding with the VEX GO Eye Sensor VEX Library Article.

Die vom Augensensor gemeldeten Daten sind in der Monitorkonsole sichtbar. Sie bietet den Schülern eine visuelle Darstellung dessen, was der Roboter „sieht“, und kann ihnen dabei helfen, die Verbindung zwischen den Sensoren und dem Verhalten des Roboters herzustellen. For more information about using the Monitor Console in VEXcode GO, see this VEX Library article.

VEX GO-Festplatten

Die in dieser Einheit verwendeten Scheiben gibt es in drei verschiedenen Farben: Grün, Rot und Blau. Die Scheiben haben Metallkerne und können mit dem Elektromagneten verwendet werden. Die Disks können auch mit dem Augensensor zur Farb- und Objekterkennung verwendet werden. For more information on the Electromagnet or the Disks, see the Interactive Parts Poster linked in the VEX Library.

Zersetzung

Bei der Dekomposition geht es darum, ein komplexes Problem in Verhaltensweisen zu zerlegen, die besser handhabbar und leichter verständlich sind. Durch die Aufteilung des Problems in kleinere Teile kann jeder Teil detaillierter untersucht und einfacher gelöst werden. Wenn ein Schüler beispielsweise möchte, dass sich sein Roboter in einem Quadrat bewegt, muss er dies in kleinere Befehle aufteilen. Es ist wichtig, dass die Schüler den Aufschlüsselungsprozess verfeinern, da sie die Befehle anfangs möglicherweise nicht in kleinere Komponenten aufteilen:

Pseudocode

Pseudocode ist eine Kurznotation für die Codierung, die verbale und schriftliche Beschreibungen des Codes kombiniert.

Häufig können die Schüler durch Raten und Prüfen zu einer Lösung gelangen. Dies führt jedoch nicht dazu, dass sie ein konzeptionelles Verständnis der Codierungskonzepte entwickeln. Das Schreiben von Pseudocode hilft Schülern, über ein oberflächliches Verständnis der Codierung hinaus zu einem eher konzeptionellen Verständnis zu gelangen. Pseudocode erfordert, dass die Schüler konzeptionell über ihre Codierungslösung nachdenken, bevor sie mit dem Codieren beginnen. Lehrer sollten Pseudocode mit Schülern besprechen, indem sie diese fragen:

• Was möchten Sie mit Ihrem Projekt erreichen?
• Wie werden Sie die Absicht oder das Ziel des Projekts in kurze, spezifische Aussagen unterteilen?

Wenn die Schüler in diesem Beispiel aufgefordert würden, einen Pseudocode zu erstellen, der den Roboter vorwärts bewegen, eine Wand erkennen, nach rechts abbiegen und dann wieder vorwärts bewegen soll, würde dieser wie folgt aussehen:

1. Fahren Sie den Roboter vorwärts, bis er 50 mm von einer Wand entfernt ist
2. Stoppen Sie den Roboter
3. Drehen Sie den Roboter um 90 Grad
4. Stoppen Sie den Roboter
5. Vortrieb 600 mm 

Sobald ein Pseudocode erstellt ist, erstellen die Schüler den Code, um dem Roboter Anweisungen zu geben, wie er jeden Schritt seines Pseudocodes erfolgreich abschließen kann. Weitere Informationen zum Arbeiten mit Pseudocode finden Sie im Pseudocode-Tutorial in VEXcode GO.

Was ist VEXcode GO?

VEXcode GO ist eine Codierungsumgebung, die zur Kommunikation mit VEX GO-Robotern verwendet wird. Die Schüler verwenden die Drag & Drop-Oberfläche, um VEXcode GO-Projekte zu erstellen, die die Aktionen ihres Roboters steuern. Der Zweck jedes Blocks kann anhand visueller Hinweise wie Form, Farbe und Beschriftung identifiziert werden. For more information on how to work with VEXcode GO, see the VEXcode GO Section of the VEX Library.

Die Blöcke in VEXcode GO stellen Roboterbefehle dar, die zum Erstellen eines Projekts in VEXcode GO verwendet werden. Unten finden Sie eine Liste der wichtigsten Blöcke, die in dieser Einheit verwendet werden. For more information on block shapes and their meaning, see the Understanding Block Shapes in VEXcode GO VEX Library article. You can find additional information on My Blocks and how to use them in a project in the Using My Blocks in VEXcode GO VEX Library article. 

VEXcode GO-Blöcke	Verhaltensweisen
	Der Block {When started} beginnt mit der Ausführung des angehängten Blockstapels, wenn das Projekt gestartet wird.
	Der Block [Antrieb] bewegt den um eine bestimmte Distanz.
	Der Block [Drehen für] dreht den Antriebsstrang um eine bestimmte Distanz.
	Der [If then]-Block ist ein „C“-Block, der die Blöcke darin ausführt, wenn die Boolesche Bedingung als WAHR gemeldet wird.
	Der Block [Elektromagnet aktivieren] stellt den VEX GO-Elektromagneten auf zwei verschiedene Modi ein: Boost oder Drop.
	Der <Detects color> Block meldet, ob der Augensensor die angegebene Farbe eines Objekts erkennt.
	„Meine Blöcke (Definition)“ wird verwendet, um einen Stapel von Blöcken zu definieren.
	Der Block „Meine Blöcke (Befehl)“ wird zum Ausführen der definierten Blöcke verwendet.
	Im Block [Kommentar] können Sie Informationen eingeben, die beschreiben, was in Ihrem Projekt geschehen soll.

Wie funktionieren Meine Blöcke?

„Meine Blöcke“ werden verwendet, um eine Folge von Blöcken zu erstellen, die im Laufe eines Projekts mehrfach verwendet werden können. Anstatt jedes Mal dieselbe Sequenz neu zu erstellen, ist es einfacher, die Blocksequenz in einem einzigen Block zusammenzufassen. Indem Sie einen „Mein Block“ erstellen, müssen Sie die Sequenz nur einmal erstellen und können sie dann wiederverwenden. Dies kann dazu beitragen, längere Projekte aufzuteilen, um die Bearbeitung zu vereinfachen. Sehen Sie sich das Video unten an, um zu erfahren, wie Sie „Meine Blöcke“ in einem Projekt verwenden. Das folgende Anleitungsvideo befindet sich in VEXcode GO und zeigt, wie Sie „Meine Blöcke“ in einem Projekt verwenden. Dieses Video ist auch in Labor 4 eingebettet, sodass Sie es mit Ihren Schülern teilen können. (Sie und Ihre Schüler können jederzeit in VEXcode GO auf dieses Video und alle VEXcode GO-Tutorials zugreifen.)

For more information on using My Blocks, see the Using My blocks in VEXcode GO VEX Library article.

Vorbereitung auf die offene Herausforderung in dieser Einheit

In dieser Einheit werden die Schüler aufgefordert, ihr zuvor Gelerntes zu nutzen, um ein Projekt zur Lösung einer Herausforderung zu erstellen. Da es wichtig ist, die Schüler regelmäßig dazu herauszufordern, Probleme zu lösen und die erlernten Fähigkeiten auf neue Weise anzuwenden, möchten wir Sie dazu ermutigen, Ihre Schüler herauszufordern und diese Strategien zu nutzen, um ihre Belastbarkeit zu stärken und sie durch die Laboraktivitäten zu führen. Hier sind ein paar Vorschläge, die Schülern beim Experimentieren mit ihren Projekten helfen sollen: 

Geben Sie Feedback, ohne die Lösung mitzuteilen – Es ist zu erwarten und erwünscht, dass bei der Bearbeitung einer Herausforderung Fehler gemacht werden. „Lernfehler können Chancen schaffen [und] helfen, Zusammenhänge zu erkennen.“² Wenn Sie mit Ihren Schülern einen vertrauten Problemlösungsprozess entwickeln, können sie lernen, wie sie ein Problem erkennen und weitermachen, wenn ihnen ein Fehler unterläuft. Auf diese Weise werden Störungen und Frustrationen minimiert. Versuchen Sie, den folgenden Problemlösungszyklus mit Ihren Schülern anzuwenden, um ihnen bei der Fehlersuche in ihren Projekten zu helfen und ihnen das Erarbeiten eigener Lösungen zu ermöglichen. 

• Beschreiben Sie das Problem
  • Bitten Sie den Schüler zu erklären, was falsch ist. Die Schüler sollten in der Lage sein, den Fehler auf das gemeinsame Ziel oder die vorliegende Herausforderung zu beziehen.
    • Wie entwickelt sich die Code-Basis in ihrem Projekt? Wie soll sich der Roboter bewegen? 
• Identifizieren Sie, wann und wo das Problem begann
  • Fragen Sie den Schüler, wann ihm das Problem zum ersten Mal aufgefallen ist.
    • Welcher Teil des Projekts wurde ausgeführt?
  • Wenn die Schüler Schwierigkeiten haben, herauszufinden, wo im Projekt der Fehler liegt, ermutigen Sie sie, die Funktion „Projekt-Stepping“ in VEXcode GO zu verwenden. Die visuellen Hinweise der Funktion „Projektschritt“ können Schülern bei der Fehlerbehebung ihres Projekts helfen, indem sie ihnen die Möglichkeit geben, die Ausführung der Blöcke einzeln anzuzeigen. This will give them a better visual of which blocks may be causing the error, so debugging can become a more targeted and efficient process. For more information on how to use the Project Stepping feature, see the Stepping Through a Project in VEXcode GO VEX LibraryArticle. 
• Nehmen Sie & Teständerungen vor
  • Wenn Studierende einen Fehler finden, sollten sie Änderungen an ihrem Projekt vornehmen. Die Studierenden können das Projekt mit jeder vorgenommenen Änderung testen. Wenn das Projekt erfolgreich ist, können Sie mit dem nächsten Schritt im Problemlösungszyklus fortfahren. Wenn das Projekt nicht erfolgreich ist, können Sie zum Anfang des Prozesses zurückkehren und es erneut versuchen.
• Reflektieren
  • Bitten Sie die Schüler, über die Fehler nachzudenken, die sie während des Prozesses gemacht und überwunden haben.
    • Was war der Fehler? Was haben Sie aus diesem Fehler gelernt? Wie kann es Ihnen beim nächsten Codieren der Codebasis helfen?
  • Ermutigen Sie die Schüler, ihre Fehler zu erkennen und sich bewusst zu machen, was sie aus dem Prozess gelernt haben, um eine wachstumsorientierte Denkweise zu fördern. Eine starke Betonung einer wachstumsorientierten Denkweise kann Schülern dabei helfen, zu lernen, wann und wie sie durchhalten und wann sie um Hilfe bitten müssen.³ Wenn Schüler ihren Prozess als Vorläufer neuen Lernens betrachten, können sie die hier aufgeführten Schritte nutzen, um sowohl ihr eigenes Lernen als auch das Lernen ihrer Klassenkameraden zu fördern. Wenn die Schüler auf diese Probleme stoßen und über ihre Fehler nachdenken, ermutigen Sie sie, ihre Fehler und Vorgehensweise mit ihren Mitschülern zu teilen. Auf diese Weise können die Schüler zu „Lernressourcen füreinander“ werden.⁴

Helfen Sie den Schülern, über das Raten und Prüfen hinauszugehen – Zuerst werden die Schüler raten und prüfen, um mit verschiedenen Blöcken in ihren Projekten zu experimentieren, aber Sie möchten, dass sie anfangen, Entscheidungen basierend auf dem Ziel des Projekts zu treffen. Lassen Sie sich von den Schülern das Ziel ihres Projekts erklären und fragen Sie sie dann, was in ihrem Projekt auf dieses Ziel hinarbeitet, was fehlt und warum. Wenn Sie Ihre Schüler dazu ermutigen, ein Projekt auf konzeptioneller Ebene aufzubauen und sich zu überlegen, was der Roboter tun soll und warum, können Sie das bloße Raten und Prüfen hinter sich lassen und zielgerichtet mit dem Programmieren beginnen.

Die Übungen 3 und 4 dieser Einheit umfassen explorative Aktivitäten, bei denen Ihre Schüler bei der Lösung einer Herausforderung durchhalten müssen. Die Schüler müssen die Parameter in den Antriebsstrangblöcken ändern und „Meine Blöcke“ erstellen, um die Scheiben je nach Farbe zu sammeln und in verschiedene Bereiche zu verteilen. Das Sammeln und Sortieren der Datenträger kann mehrere Iterationen ihrer Projekte erfordern. Nutzen Sie die in diesem Abschnitt beschriebenen Vorschläge, um die Schüler auf den Versuch-und-Irrtum-Prozess vorzubereiten und ihnen bei der Fehlersuche in ihren Projekten zu helfen, um das Ziel der Herausforderung zu erreichen. Der Abschnitt „Moderation“ der Spielteile 1 und 2 enthält zusätzliche Unterrichtshilfen, um die Schüler durch diese Laborherausforderungen zu führen. Wenn Sie einen Plan haben, wie Sie die in diesem Labor erforderlichen Problemlösungen und Versuche und Irrtümer unterstützen, können Sie den individuellen Bedürfnissen Ihrer Schüler besser gerecht werden.

See the Building Resilience in STEM Labs VEX Library article for more information on how effective feedback can help students build resilience and a growth mindset while working through STEM Labs.

¹  NASA, Mars 2020 Mission Overview, https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/overview/, 2021.
² Hattie, John, and Shirley Clarke. Sichtbares Lernen: Feedback. Routledge, Taylor & Francis Group, 2019.
³ Ebenda.
⁴ Ebenda, S. 121