OpenSource4School/Lernumgebungen/Programmieren Scratch

Erste Schritte in die Welt des Programmierens mit „Scratch“

Entwickler der Lernumgebung: Sonja Millinger, Anna Gehwolf, Stefanie Thönig

Kurzbeschreibung der Lernumgebung

Im Mittelpunkt dieser Lernumgebung steht die Entwicklung eines ersten Verständnisses über die Grundkonzepte des Programmierens. Verwendet wird dabei die Programmiersprache "Scratch". Über analoges handelndes Programmieren sollen die Kinder erste Einsichten in eine Programmiersprache erlangen. Diese Einsichten werden im weiteren Stundenverlauf durch Anwendung und Übung mit der App "Scottie - Go" vertieft. Im Rahmen einer Reflexion können die Kinder am Ende der Stunde über ihre Schwierigkeiten und Erfolge beim Erstellen von Algorithmen berichten.

Welche Teilnehmer sollen angesprochen werden?

Schüler und Schülerinnen (SuS) der 1.–4. Klasse. Die Gruppenarbeiten sind dazu da, dass die Kinder die Möglichkeit haben, gemeinsam eine Lösung zu entwickeln. Die Arbeitsgruppen sollten so gewählt sein, dass immer schwächere/jüngere Kinder mit stärkeren/älteren zusammenarbeiten. Da die Aufgaben in ihrer Form offen gehalten sind, können Kinder, die bereits ein größeres Wissen aus diesem Gebiet mitbringen, komplexere Algorithmen entwickeln.

Zentrale Aufgaben bzw. Arbeitsaufträge in der Lernumgebung

Mögliche einleitende Impulsfragen, um eventuelles Vorwissen der SuS in Erfahrung zu bringen:

• „Was macht ein Programmierer?“
• „Was bedeutet denn eigentlichen „programmieren“?“
• „Sprechen Computer dieselbe Sprache wie wir Menschen?“
• „Wie kann eine Programmiersprache aussehen?“

Erklärung des Spieles „Rettungsaktion“:

• Zu Beginn muss geklärt werden, was genau mit „Schritt vorwärts“ oder „links/rechts“ gemeint ist. „Schritt vorwärts bedeutet, sich genau um ein Quadrat vorwärts zu bewegen. Links, rechts bedeutet sich an Ort und Stelle zur nächsten Seite des Quadrates zu drehen (oder sich um 90 Grad zu drehen).“ Wichtig ist es, dass immer Beginn und Ende genannt werden. Erst wenn der Beginn genannt wird, bewegt sich „Scottie“ auf seine Startposition.
• „Wir werden jetzt ein Spiel spielen. Das Gitternetz auf dem Boden ist unser Spielfeld. Ein Kind wird „Scottie“ spielen und muss das Kuscheltier retten. Bevor Scottie unser Kuscheltier retten kann, müssen wir ihn programmieren. Wir müssen ihm also genaue Anweisungen geben, wie er gehen muss. Ich werde die Programmiererin sein und die Anweisungen an die Tafel schreiben. Ein weiteres Kind wird den Tester/ die Testerin spielen. Er/ Sie gibt die Anweisung laut an Scottie weiter. Scottie führt die Anweisungen dann aus und wir sehen, ob er das Kuscheltier retten kann.“

Arbeitsanweisung Scottie-go

• „Ihr sollt nun Scottie, den Außerirdischen, zu seinem Ziel bringen. Denkt daran, dass eure Anweisungen immer einen Beginn und ein Ende brauchen. Die Anweisungskärtchen könnt ihr wie Puzzleteile zusammenfügen.“

Mögliche Fragen, die zur Reflexion anregen:

• „Was hat euch heute besonders gut gefallen?“
• „War es schwierig Scottie zum Ziel zu bringen? Wo hattet ihr hier manchmal Probleme?“
• „Wie erging es euch beim Arbeitsblatt?“

Material-Raum-Arrangement

Material:

• Programmierkarten (Scratch Symbolkarten) als Tafelmaterial (Scottie-Go) in A3
• Pfeil für die Markierung des Startpunktes
• Magnete zur Befestigung des Tafelmaterials
• eventuelle Ergänzung der Programmierkartensets (abhängig von der SuS Anzahl)
• Kuverts, um die Programmierkarten geordnet aufzubewahren
• Seile bzw. breiter abziehbarer Klebestreifen für das Gitternetz
• Eventuell Links/Rechts Sticker für Kinder, die hier noch unsicher sind
• Zielgegenstand für das Spiel „Rettungsaktion“ (zum Beispiel ein Kuscheltier)
• Papier und Stift (für das Aufschreiben von Algorithmen; falls vorhanden: Clipboard als Unterlage zum Schreiben)
• Übersicht der verwendeten „Scratch“ Symbole (A4/A5) (siehe Material & Arbeitsblätter)
• Tablets
• Arbeitsblatt (siehe Material & Arbeitsblätter)

Paarweise holen sich die Kinder die Tablets und Programmierkartensets bei der Lehrperson ab. Die Arbeitsblätter liegen auf dem Lehrerpult auf und die Kinder können sich diese selbstständig nehmen. Für die Gruppenarbeit ist eine Vorbereitung (Gitternetz am Boden) notwendig. Diese Plätze werden von der Lehrperson vorgegeben. Für die Partnerarbeit können sich die Kinder eigenständig einen Platz wählen (in der Klasse am Boden oder am Tisch oder auch im Gang).

Wichtige Aspekte und Überlegungen zur Durchführung

Verlauf Eingangsphase:

• Vorwissen wird in Erfahrung gebracht und Wissen ergänzt („Was macht ein Programmierer?“ „Sprechen Computer die gleiche Sprache wie wir Menschen?“ „Welche Dinge, Geräte, … müssen denn programmiert werden?“) → Sozialform – Sitzkreis

Erarbeitungsphase:

• Kennenlernen der Programmiersprache „Scratch“ (auf Kurzschreibweise aufmerksam machen; „QR-Codes“ auf den Programmierkarten thematisieren; „Welche Aufgaben haben diese QR Codes?”)
• Spiel Rettungsaktion (Spielbeschreibung: siehe Material & Arbeitsblätter). Die Lehrperson erklärt und demonstriert anschließend das Spiel mit zwei Kindern. Darauf folgt eine weitere Demonstration durch drei Kinder, die sich freiwillig melden. Eventuell auftretende Schwierigkeiten werden im Plenum geklärt. → Sozialform – im Plenum; Sitz- bzw. Strehkreis

Übungsphase:

• Nach der Übung des analogen Programmierens folgt die digitale Umsetzung. Dafür wird die APP „Scottie-Go“ verwendet. Die Funktionsweise der App wird im Plenum besprochen. Anmerkung: Es sind nur die Ziffern 0, 1, 2, 5 und 7 vorhanden. Muss Scottie mehr Schritte gehen, werden die einzelnen Ziffern zusammengefügt (für 10 Ziffer 1 und 0; das Spiel geht nur bis zum 6. Level – ab hier wird das vollständige Kartendeck benötigt) → Sozialform - Sitzkreis
• In Partnerarbeit setzen sich die SchülerInnen mit der App „Scottie–Go“ auseinander. („Versucht nun zu zweit Scottie zum Ziel zu bringen. Verwendet die Kärtchen und setzt die einzelnen Befehle wie ein Puzzle zusammen.“)
• Haben SuS die Levels frühzeitig beendet, können sie das Spiel „Rettungsaktion“ mit Hindernissen spielen. Als Hindernisse können beliebige Objekte, die in der Klasse vorhanden sind, fungieren.
• Arbeitsblatt in Einzel – und Partnerarbeit → Sozialform – am Platz

Abschlussphase

• Reflexion im Plenum (Schwierigkeiten, …)

„Lernzuwachs“ der Schülerinnen und Schüler

Welche mathematischen Einsichten (Aha-Erlebnisse der Schülerinnen und Schüler) können während der Situation gewonnen werden?

• Durch eigenes Handeln kann ein digitales Objekt gesteuert werden.
• Eigenschaften eines Algorithmus: ein Algorithmus muss eindeutig sein und er braucht einen klar gekennzeichneten Beginn und ein Ende.

Eventuelle Stolpersteine im Verlauf der Situation

• Verschiedene Lerntempi der SuS
• Zu ausführliche Beschreibung des Codes (z.B. Abzeichnen von Befehlskärtchen)
• Unterschiedliche Leistungsniveaus
• Schwierigkeiten in der Raumorientierung - Schwierigkeiten bei Unterscheidung zwischen links und rechts.

Mathematischer und mathematikdidaktischer Gehalt

Überprüfung von Kriterien "guter" Aufgaben

"Gute" Aufgaben werden im Sinne von Büchter & Leuders (2005) verstanden.

Kompetenzorientiertheit

Folgende Kompetenzen werden angebahnt: Problemlösen (Problem: wie kann ich ein Objekt zu einem bestimmten Ziel mittels konkreter Programmiersprache befördern?), Modellieren (der Modellierungskreislauf wird durchlaufen: das reale Modell wird in ein mathematisches Modell übertragen(wie muss sich Scottie in der Ebene bewegen?), bearbeitet (Festlegung der notwendigen Schritte, die Scottie gehen muss), interpretiert (durch das Legen der Programmierkarten und validiert (durch das Abgleichen mit dem virtuellen Ergebnis).) & Kommunizieren (die Gruppen- und Partnerarbeit erfordert ein gemeinsames Kommunizieren über den Sachverhalt) und als inhaltliche Kompetenz: Arbeiten in Ebene und Raum (SuS müssen aus Sicht einer anderen Person bzw. Objekt agieren).

Offentheit

Die Aufgaben sprechen verschiedene Dimensionen (Handeln, Sprechen, Schreiben) an und lassen unterschiedliche Lösungswege zu. Daher sind die Aufgaben auf verschiedenen Anspruchsniveaus zu lösen. Die Abstraktion bzw. die Orientierung im Raum wird, v.a für jüngere Kinder, eine Herausforderung darstellen. Die Aufgaben dieser Lernumgebung beziehen sich auf das höchste Anspruchsniveau „Verallgemeinern“, da es sich um einen neuen Sachverhalt handelt und das Finden von eigenen Lösungen einen zentralen Bereich darstellt.

Es gibt nicht nur eine korrekte Lösung. Die Aufgaben lassen mehrere Lösungswege zu. Die Darstellungsform ist, aufgrund der vorgegebenen Programmierkärtchen, eingeschränkt.

Differenzierung

Natürliche Differenzierung: Jeder bekommt dasselbe Lernangebot. Das Angebot ermöglicht eine Bearbeitung auf unterschiedlichen Leistungsniveaus (Entwicklung eines eigenen Algorithmus). In den Gruppen – und Partnerarbeiten wird ein Mit – und Voneinander Lernen ermöglicht.

Authentizität

Das Erstellen von Algorithmen ist eine typische mathematische Tätigkeit (Bereich Logik). In dem unmittelbaren Umfeld der Kinder befinden sich viele technische Geräte, die einem bestimmten Algorithmus folgen bzw. die alle programmiert wurden. Damit handelt es sich um einen Inhalt, mit dem die Kinder täglich Berührungspunkte haben.

Leitideen zum Design von Lernumgebungen

Die Leitideen zum Design von Lernumgebungen nach Wollring (2008) werden herangezogen.

L1 Gegenstand und Sinn:

• siehe Kompetenzorientiertheit
• Werksinn: siehe Authentizität

L2 Artikulation, Kommunikation, soziale Organisation:

• In jeder Aufgabe kommen alle Dimensionen von Artikulation, Kommunikation, soziale Organisation vor:
  • Handeln: Anweisungen (Algorithmus) ausführen. (Spiel „Rettungsaktion“).
  • Sprechen: mündliche Anweisungen (Algorithmus) geben.
  • Schreiben: Aufschreiben von eigens entwickelten Algorithmen.

Es werden mehrere Aufgaben geboten, die unterschiedliche soziale Organisationsformen benötigen.

L3 Differenzierung:

• siehe Differenzierung

L4 Logistik: Material:

• Investives Material: Tablets, Anweisungskärtchen (Programmierkarten) in mehrfacher Ausführung (abhängig von der SchülerInnenanzahl), Programmierkarten als Tafelmaterial (A3), Seile (für das Gitternetz)
• Konsumtives Material: Papier, Klebestreifen (als Alternative zu den Seilen; für das Gitternetz), Stifte, Arbeitsblatt
• Zeit: Die Vorbereitung der Lernumgebung benötigt anfänglich etwas mehr Zeit, da die Apps auf den Tablets installiert werden müssen und eventuell mehrere Programmierkartensets erstellt werden müssen. Allerdings kann diese Lernumgebung erweitert und fortgesetzt werden (langfristige Nutzung).

L5: Evaluation:

• Es gibt Arbeitsblätter, die den vorher geübten und erarbeiteten Inhalt noch einmal wiederholen und sichern. Die Arbeitsblätter geben der Lehrperson Aufschluss darüber, wie die Inhalte der Lernumgebung (Eigenschaften von Algorithmen, Entwickeln von Algorithmen, Orientierung in Raum und Ebene) angekommen sind.

L6: Vernetzung mit anderen Lernumgebungen:

• Beziehungsreichtum: Die Kinder lernen eine Form der Programmiersprache kennen. Diese kann auf unterschiedliche Weise (z.B. verkürzt -, symbolisch) dargestellt werden – hier kann auf die Kurzschreibweise in der Mathematik hingewiesen werden. Die Programmiersprache kann, im Rahmen einer technischen Auseinandersetzung mit z.B. Computern (Sachunterricht), genauer behandelt werden.

Kriterien substanzieller Lernumgebungen

Eine substanzielle Lernumgebung (u.a. Wittmann, 1998) ist eine Lernumgebung, die fundamentale Ideen (Grundideen) der Mathematik realisiert, die Kompetenz des Argumentierens sowie mathematische Fähigkeiten und Fertigkeiten fördert und die Möglichkeit bietet, produktiv mit der heterogenen Schülerschaft umzugehen (Krauthausen & Scherer, 2014).

Erste Einsicht in die Programmierung wird hier mittels „Scratch“ in der Grundschule (alle Klassenstuften) gewährt.

• Die Inhalte dieser Lernumgebung beziehen sich auf die inhaltliche Kompetenz „Arbeiten mit Ebene und Raum“ der Bildungsstandards folgendermaßen:
  • Lagebeziehungen zwischen Objekten in Raum und Ebene beschreiben und nutzen: Die Kinder erkennen Entfernungen zwischen Zielobjekt (bezüglich Spiel „Rettungsaktion“) und Spielfigur und erstellen anhand des Gitternetzes einen Algorithmus (Grundidee der Geometrie: Kooridnaten).
  • Vorgegebene Muster erkennen, fortsetzen oder selbstständig entwickeln: Die Kinder erkennen Strukturen und Muster der Programmiersprache (z.B. Ein Algorithmus ist immer mit einem Anfang und einem Ende gekennzeichnet).
  • Einen Zusammenhang zwischen Plan und Wirklichkeit herstellen: Die Kinder entwickeln/ planen einen Algorithmus und testen diesen analog/ digital. (Grundidee Arithmetik & Geometrie: Übersetzung in die Zahl- und Formensprache)
• Dabei begründen die Kinder, warum der der entwickelte Code das Problem löst oder nicht, es müssen Argumente entwickelt werden.
• Durch das Differenzierungspotenzial der Lernumgebung (siehe siehe Differenzierung), kann produktiv mit der heterogenen Schülerschaft umgegangen werden.

Phasen entdeckenden Lernens

Die 4 Phasen entdeckenden Lernens (Winter, 1984) wurden auf folgende Weise durchlaufen:

1. Problemstellung: „Wie kommt man unter Benutzung dieser Sprache (Scratch) zum Ziel?“
2. Finden von Lösungen: Es wird sowohl alleine als auch in Kooperation nach Lösungswegen gesucht. Das Problem kann auf unterschiedliche Wege gelöst werden.
3. Vorstellen der Ergebnisse: Der Programmierer (Lösende) stellt sein Ergebnis durch das Testen seiner Lösung (im Gitternetz oder in der App) innerhalb der Kleingruppe vor.
4. Arbeitsergebnisse bündeln, zusammenfassen, korrigieren, ordnen: Am Ende der Stunde werden Schwierigkeiten, Freuden und eventuell entstandene Fragen konkret anhand der Arbeitsergebnisse besprochen.

Funktionen von Arbeitsmitteln

Es wurde untersucht, in welcher Funktion (Krauthausen, 2018) die verwendeten (digitalen) Medien eingesetzt wurden:

• Als Mittel zur Darstellung: Programmierkarten, um die Symbole und die Zusammensetzung der Anweisungen zu zeigen. Das Spiel „Rettungsaktion“ soll die Funktionsweise von Algorithmen verdeutlichen, wie auch die App „Scottie – Go“.
• Mittel zum Ausführen: Die Medien, die der Veranschaulichung dienen, fungieren auch als Mittel, um eine mathematische Operation (hier: das Erstellen von Algorithmen) auszuführen.
• Mittel zum Argumentieren und Beweisen: Die oben angeführten Medien, ermöglichen es, Eigenschaften (Muster, Strukturen) eines Algorithmus zu erkennen und zu beschreiben.

Material & Arbeitsblätter

Anleitung zum Umgang mit den Programmierkarten im Rahmen der Lernumgebung "Erste Schritte in die Welt des Programmierens mit „Scratch“"

Arbeitsblatt zur Lernumgebung "Erste Schritte in die Welt des Programmierens mit „Scratch“"

Anleitung zum Spiel "Rettungsaktion" im Rahmen der Lernumgebung "Erste Schritte in die Welt des Programmierens mit „Scratch“"

Weblinks

• https://csunplugged.org/de/
• https://www.bifie.at/wp-content/uploads/2017/06/Deskriptoren_BiSt_M4.pdf