Programmieren in der Schule – Eine Flipped-Classroom Unterrichtseinheit

Von Lea Heinrich, Carolin Mattes und Lisa Reimesch

Programmieren ist nur etwas für Nerds? Von dieser Vorstellung sollten wir uns endgültig verabschieden. Der Umgang mit oder zumindest das ungefähre Verständnis von verschiedenen Programmiersprachen und -prozessen sowie eine informatische Denkweise gehören für viele Arbeitnehmer:innen bereits zum Alltag. Bisher ist dieses Wissen und Können jedoch oft selbst aneignet und erlernt, da eine schulische Förderung nur in Einzelfällen gegeben ist. Die Schule als Ort der Persönlichkeitsförderung und Vorbereitung auf das spätere Leben, insbesondere auf die Arbeitswelt, darf hier ihre durchaus wichtige Rolle nicht verschlafen. Ein flächendeckender Informatikunterricht sowie über die Jahrgangsstufen verteilte Projekte wären ein wichtiger Schritt, da eine solide Grundausbildung in Informatik und vor allem im Programmieren immer essenzieller wird. Deshalb ist das Schulfach Informatik inzwischen zunehmend im Bildungsplan und somit auch an den meisten baden-württembergischen Schulen integriert.

Im Rahmen des Projektseminars der HSE-Zusatzqualifikation Informations- und Medienkompetenz haben wir uns mit dem Thema „Programmieren mit Schleifen“ auseinandergesetzt und eine Unterrichtseinheit im Flipped-Classroom Konzept erstellt. Diese soll die Schüler:innen spielerisch an Programmierungssprachen und die notwendige informatische Denkweise heranführen. Zudem war uns beim Erarbeiten der Unterrichtsinhalte ein großer Praxisbezug wichtig, weshalb in dieser Einheit die Unterrichtsinhalte an dem Mikrocontroller des Calliope Mini 2.0 erlernt werden.

Lernziele und Zielgruppe

Die Unterrichtseinheit ist im Aufbaukurs Informatik eingegliedert und richtet sich somit an Schüler:innen einer siebten Klasse einer Gemeinschaftsschule. In vorherigen Unterrichtsstunden sollte bereits mit den Calliopes gearbeitet werden, damit den Schüler:innen einige Eigenschaften und Programmiergrundlagen mit dem kleinen Mikrocontroller bekannt sind. Am Ende können die Schüler:innen einfache Projekte mittels Schleifen programmieren sowie Wenn-Dann-Bedingungen, For- und While-Schleifen in der Programmiersprache MakeCode benennen und die Eigenschaften von Schleifen im Allgemeinen nennen.

Der Calliope Mini 2.0

Wir haben für diese Einheit den Mikrocontroller Calliope Mini 2.0 ausgewählt, da dieser speziell für die Schule und die Anwendung im Unterricht entwickelt wurde. Im Vergleich zu anderen Mikrocontrollern, wie beispielsweise dem Arduino Nano, stellt der Calliope aufgrund der blockbasierten Programmiersprache MakeCode einen einfachen Einstieg in das Programmieren dar.

Übersicht der Funktionen des Calliope Mini 2.0; Quelle: https://calliope.cc/calliope-mini/uebersicht

Durch die zahlreichen Funktionen des Calliope sind vielfältige Projekte umsetzbar. Neben einigen Ein- und Ausgabe-Einheiten (z.B. 5×5 LED Matrix, Lautsprecher, Knöpfe, Tasten) sind diverse Sensoren (z.B. Lagesensor, Lichtsensor, Temperatursensor, Bluetooth, etc.) bereits integriert. Zudem können über Motor-Pins und zwei Grove-Adapter Erweiterungsmodule angebracht werden, was das Realisieren einer großen Bandbreite an Projekten auf verschiedenen Schwierigkeitsstufen ermöglicht.

Aufbau der Unterrichtseinheit

Für die Einheit wurde das Flipped-Classroom Modell gewählt. Durch die Gliederung in zwei Lernabschnitte wird somit ein binnendifferenziertes Lernen ermöglicht. Der inhaltliche Input wird mittels interaktiven h5p Videos zuhause von den Schüler:innen erarbeitet.

Ausschnitt einer Zwischenfrage des H5P Lernvideos

Die Erklärvideos wurden durch Zwischenfragen und zusätzliche Informationen ergänzt, damit die Lernenden sich aktiv mit dem Lerninhalt auseinandersetzen können. Zudem können sie sich entsprechend ihres bereits vorhandenen Vorwissens und Könnens die inhaltlichen Grundlagen in ihrem eigenen Tempo erarbeiten.

Der thematische Fokus dieser Unterrichtseinheit liegt auf den drei Themengebieten der Wenn-Dann-Bedingung, For-Schleifen und While-Schleifen. Diese werden einzeln erarbeitet und sind in Form von kurzen Lernvideos in einem Moodle-Kurs integriert. An jedes interaktive Lernvideo schließt sich eine kleine, einfach Programmieraufgabe mit dem Calliope an. Diese Vertiefungsaufgaben können die Schülerinnen und Schüler anschließend eigenständig zuhause bearbeiten, da sie nach den vorangegangenen Einheiten schon Erfahrung im Umgang mit MakeCode und dem Calliope haben.

Im Anschluss an den Moodle-Kurs findet eine Präsenzeinheit statt, in welcher die praktische Anwendung und Umsetzung im Vordergrund steht. Hierbei können die selbständig erarbeiteten Konzepte und Fähigkeiten mit dem Calliope durch ein abschließendes Projekt erprobt werden. In diesem Projekt wird mit dem Calliope ein Temperaturmesser programmiert, der durch eine Anzeige und einen Signalton anzeigen kann, ob im Klassenzimmer eine zum Lernen angemessene Temperatur von unter 22 Grad Celsius herrscht.

Mögliche Programmierung des Temperaturmessers am Calliope Mini 2.0 mit MakeCode

Dieses Projekt wurde im Rahmen der Zusatzqualifikation den anderen Studierenden sowie erfahrenen Pädagog:innen der HSE vorgestellt und kann hoffentlich auch bald in der Schule erprobt und eingebaut werden. Beim Erstellen dieser Lerneinheit haben wir viel neues Wissen hinsichtlich blockbasiertem Programmieren mit einem Mikrocontroller dazugewinnen können und hoffen, auch in Zukunft weitere digitale Projekte zu planen, und diese vor allem auch in der Schule umsetzen zu können.

Lea Marie Heinrich, Carolin Mattes und Lisa Reimesch,
Universität Heidelberg