Vielen Schulen in Deutschland fehlt noch immer eine zuverlässige IT-Infrastruktur. Mit dem „NEPO Programmierpapier“ ermöglicht die Fraunhofer-Initiative Roberta das Programmieren ohne PC.

„Computing“, „Code“, „Information Technology“ – so und so ähnlich heißen die Fächer, in denen Schülerinnen und Schüler in Frankreich, Großbritannien oder Japan aktuell die Grundlagen des Programmierens lernen. Was in anderen Ländern bereits ab der Grundschule auf dem Lehrplan steht, ist in Deutschland noch nicht flächendeckend in den Schulen verankert. Doch auch hierzulande wird die Bedeutung der Programmiersprachen als „zweite Fremdsprache“ immer deutlicher, mit dem DigitalPakt Schule wollen Bund und Länder für eine bessere Ausstattung der Schulen mit digitaler Technik sorgen.
Laut einer jährlichen Evaluation der Fraunhofer-Initiative „Roberta – Lernen mit Robotern“ wünschen sich 82 Prozent der befragten Lehrkräfte die Einführung des Pflichtfachs Informatik. Noch aber mangelt es an guter Infrastruktur. So bewerten 62 Prozent der Befragten ihre IT-Infrastruktur mit befriedigend bis mangelhaft. In einer Studie der Bertelsmann-Stiftung bemängeln sogar 74 Prozent die unzuverlässige Technik in ihren Schulen. „Einem Einstieg ins Erlernen digitaler Kompetenzen sollte auch bei mangelnder Technik kein Riegel vorgeschoben werden“, sagt Thorsten Leimbach. Der Leiter der Roberta-Initiative am Fraunhofer IAIS verdeutlicht: „Die Entwicklung und Vermittlung eines frühen Verständnisses für Programmierung und Algorithmen beginnt nicht zwingendermaßen am Bildschirm.“

Programmieren nach dem Brettspiel-Prinzip

Mit NEPO hat das Team des Fraunhofer IAIS, unterstützt von Google.org, eine grafische Programmiersprache entwickelt, mit der bereits mehr als 20.000 Mädchen, Jungen und Erwachsene monatlich im Internet Roboter und Mikrocontroller programmieren. Und mit dem hier vorgestellten „NEPO Programmierpapier“ möchte die Roberta-Initiative zusätzlich das Programmieren ganz ohne Computer zugänglich machen.
Was zunächst paradox klingt, fußt auf einem simplen Puzzleprinzip. Und so geht’s: Auf dem Portal der Roberta-Initiative www.roberta-home.de werden neben der Programmieroberfläche – einem karierten 2D-Spielfeld – auch die grafischen NEPO-Programmierblöcke zum Anfassen sowie ein Roboter und einige Zahlen- und Hinderniselemente zum Down­load und Ausdruck angeboten. Im Anschluss werden Spielfeld, Roboter und Co. ausgeschnitten – und los geht es mit dem Programmieren auf Papier.
„Die Materialien sind frei zum Download verfügbar, was sowohl technische Anforderungen als auch Kosten und Hardwarekenntnisse auf ein Minimum reduziert“, erklärt Thorsten Leimbach. „Das Ausschneiden und Basteln ermöglicht einen spielerischen und kreativen Einstieg, zumal das Programmieren auf einem Feld an ein Brettspiel erinnert.“ Dabei tut der Spielecharakter den Lernzielen keinen Abbruch: Anstelle sich zunächst mit der Hardware auseinanderzusetzen, fokussieren sich die Schülerinnen und Schüler auf den Ablauf des NEPO-Programms, mit dem sie den Roboter steuern. Fragen wie „Was ist ein Programm?“ oder „Was sind Algorithmen?“ werden praxisnah und anschaulich diskutiert.
Kern des Programmierpapiers sind die grafischen Programmierblöcke, die neben dem Spielfeld untereinander angeordnet werden: Mit „Gehe X mal vor“, „Drehe X°“ oder „Wiederhole X mal“ werden sowohl erste Bewegungsabläufe in der Robotik als auch das Thema „Schleifen“ abgedeckt. Anhand unterschiedlicher Programmier-­Szenarien vermitteln Lehrkräfte ihren Schülerinnen und Schülern erste Programmierschritte.

Programmierabenteuer – Freunde finden und Kornkreise zeichnen

Nach einem Aufwärmtraining, in dem der Roboter seinen Weg von einem Startpunkt „S“ zum Ziel „Z“ mit Vorwärts- und Dreh-Bewegungen zurücklegt, vertiefen Papierprogrammiererinnen und -programmierer die Thematik anhand unterschiedlicher Abenteuer. Im Szenario „Neue Freunde“ trifft Roberta, die Roboterdame, z. B. ihre Freunde Foxy Fuchs und Igor Igel. Die Schülerinnen und Schüler müssen sich überlegen, wie Roberta auf ihrem Weg nach Hause ihre Freunde nicht verpasst. Dabei erschweren Hindernisse den Weg, denen es auszuweichen gilt.
Das Abenteuer „Kornkreise“ ermöglicht den Schülerinnen und Schülern eine kreative und freie Herangehensweise. Sie programmieren den Roboter so, dass er ein bestimmtes Muster abfährt. Jedes abgefahrene Feld können die Programmiererinnen und Programmierer mit einer beliebigen Farbe ausmalen. Weiter haben Lehrkräfte die Möglichkeit, einen fachübergreifenden mathematischen Ansatz zu wählen, indem Roberta bestimmte Formen, z. B. ein Quadrat, abfährt. Lehrkräfte können den Schwierigkeitsgrad z. B. durch neue Programmierblöcke oder die Reduzierung der Schritte erhöhen. So können die Schülerinnen und Schüler in ihrem Programm zunächst vier Mal die gleiche Bewegungsabfolge aus „Gehe“ und „Drehe“ wählen, im nächsten Schritt aber Schleifen einbinden und das gleiche Ergebnis erzielen.

Fließender Übergang zur Programmierung am PC

Erweiterungen des Papier-Programmierens mit NEPO sind jederzeit möglich. Schülerinnen und Schüler gestalten z. B. zusätzliche Hindernisse oder erhöhen mit weiteren selbst gebastelten Robotern auf dem Feld, die einander nicht in die Quere kommen dürfen, den Schwierigkeitsgrad. „Für Fortgeschrittene, die sich einen Einstieg in komplexere Programme mit allerlei Sensoren und Funktionen wünschen, ist der Übergang zum Bildschirm schließlich einfach“, sagt Thorsten Leimbach. In der Schule, zu Hause oder an einem außerschulischen Standort können Schülerinnen und Schüler über die URL lab.open-roberta.org auf die kostenfreie Open-Source-Plattform zugreifen. Dort verwenden sie mit NEPO die bereits vertraute Programmiersprache im Anfänger- oder im Expertenmodus. Neben realen Robotern und Mikrocontrollern führt eine mit Sensoren ausgestattete 2D-Roberta in der Web-Simulation die Programme auf verschiedenen Feldern aus, welche die Schülerinnen und Schüler auch selbst gestalten können – wie bereits beim ersten Abenteuer auf dem Programmierpapier.

Elena Zay

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Weiterführende Links

NEPO Programmierpapier
Open Roberta Lab