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Tobias Hübner 19. Februar 2019

Wie Kinder programmieren lernen

Programmieren wird oft als Sprache der Zukunft bezeichnet, aber wie kann man diese Fertigkeit bereits Kindern und Jugendlichen vermitteln? Der Lehrer Tobias Hübner aus Düsseldorf schildert, wie er sowohl im Unterricht am Gymnasium als auch im Start-up "Codingschule" auf motivierende Art und Weise zeigt, warum Programmierkenntnisse in Zukunft unabdingbar sind.

Er hat wenig von seinem Charme verloren: der Apple II mit seinem Monochrom-Bildschirm und 64KB Speicher. Kinder und Jugendliche jedenfalls sind fasziniert, wenn sie eine wabbelige 5 1/4“-Diskette in den Rechner schieben und dieser dann mit lautem Knattern Spiele-Klassiker wie Elite oder das Textadventure "Hitchhikers Guide to the Galaxy" lädt.

Diese Szene spielt sich regelmäßig bei Workshops der Codingschule in Düsseldorf ab [1]. Das Start-up hat es sich zur Aufgabe gemacht, Heranwachsende (und insbesondere Mädchen) in die Welt der Informatik einzuführen und ihnen Programmiersprachen wie Scratch oder Python beizubringen.

Der alte 8-Bit-Rechner dient dabei als Einstieg in die Frage, wie Computer eigentlich funktionieren. Die Tablet- und Smartphone-Generation hat nämlich in der Regel kaum eine Vorstellung davon, was sich hinter dem Display ihres Handys verbirgt. Im Gegensatz zum iPhone lassen sich die ersten Produkte von Apple jedoch einfach öffnen und gewähren Einblick in ihr Innenleben. Ist die Black Box erst einmal geöffnet, kommen auch schnell die ersten Fragen: Was ist eigentlich auf der Diskette gespeichert? Was macht die Platine mit den kleinen Chips, so dass man ein Bild auf dem Monitor sieht?

Ist die Neugier geweckt, kann die eigentliche Arbeit beginnen – und zwar erst einmal ganz analog, denn um Binärcode und die Funktionsweise eines Computers zu verstehen, braucht es zunächst einmal keinen Computer. Basierend etwa auf den Materialien der Initiative "Computer Science Unplugged" lernen die Kinder spielerisch, wie ein Transistor funktioniert oder wie Logikgatter in einem Prozessor mathematische Rechenaufgaben lösen können [2].

Das kreativste Werkzeug der Welt: der Raspberry Pi

Die überraschende Erkenntnis aus diesen ersten Begegnungen mit "antiker" Computertechnik und deren Funktionsweise: Der grundsätzliche Aufbau eines Computers hat sich erstaunlich wenig verändert, denn auch Smartwatches bestehen letztendlich wie der Apple II aus Transistoren – nur sind es nicht mehr ein paar Tausend, sondern mehrere Milliarden, die sich in unfassbarer Geschwindigkeit ein- und ausschalten.

Damit bei den nun folgenden ersten Schritten in der Programmierung die Hardware stets präsent und "anfassbar" bleibt, kommt in den Workshops der Raspberry Pi zum Einsatz. Selbst die günstigste Variante "Pi Zero W" für ca. 10,-€ bietet neben WLAN und Bluetooth genügend Power, um Minecraft mit einem selbst gebastelten Controller zu steuern, ein selbstfahrendes Auto zu basteln oder einen eigenen Webserver zu betreiben.

Kindern und Jugendlichen einen eigenen, günstigen Computer in die Hände zu geben, war auch von Anfang an das Ziel der Raspberry Pi Foundation aus England, die den Pi entwickelt hat. Mit dabei war übrigens auch Elite-Programmierer David Braben. Das einmal über 20 Millionen der Mini-Rechner verkauft werden, war am Anfang noch unvorstellbar. Im Fokus stand die Idee, in Kindern wieder die Faszination zu wecken, die man etwa 1981 beim Bau des Spectrum ZX 81 empfand. Dieser kostete damals nur 69 Pfund und konnte auch an vorhandene Hardware angeschlossen werden: Es genügte ein herkömmlicher Fernseher und statt einem Diskettenlaufwerk schloss man einen herkömmlichen Kassettenrekorder an. Das auf so einer Kassette gespeicherte Survival-Horror-Spiel "3D Monster Maze" ist übrigens auch heute noch für Kinder ein Riesenspaß.

Die digitale Welt entdecken – mit Open-Source-Software und Open Educational Resources

Aber zurück zur Codingschule: Die Kinder haben ihren Raspberry Pi mittlerweile angeschlossen und mit der Programmiersprache Scratch erste Erfahrungen mit Objekten, Schleifen und Variablen gemacht. In einem nächsten Schritt erfolgt die Einführung in Python – und zwar mit Minecraft. Die speziell für den Raspberry Pi entwickelte (und kostenlose) Variante des Spiels kommt mit einer Python-Bibliothek, die es erlaubt, Steine mit einem einfachen Befehl in die Spielwelt zu setzen. Dafür muss natürlich zuerst verstanden werden, wie ein dreidimensionales Koordinatensystem funktioniert. Am Beispiel von Minecraft (oder noch haptischer mit LEGO-Steinen) ist das Prinzip jedoch schnell verstanden und es kann mit der Programmierung komplexer Bauten losgehen, z. B. einem Sprungturm inkl. kleinem Wasserbecken [3].

Als Lernmedium kommen dabei die von der Codingschule selbst entwickelten Lernmaterialien zum Einsatz und in Kooperation mit dem Rheinwerk-Verlag produzierte Video-Trainings. Alle notwendigen Materialien sind auf einem Moodle-Server gespeichert, der natürlich auch auf einem Raspberry Pi läuft.

Basteln mit LEDs und Widerständen

Eines der interessantesten Features des Raspberry Pi ist jedoch die GPIO-(General Purpose Input Output)-Schnittstelle. An sie lässt sich so ziemlich jedes elektronische Bauteil anschließen und steuern. Um Kindern zu zeigen, wie einfach das geht, bauen sie ihren eigenen Game-Controller aus einem Überraschungsei.

Dazu drücken sie mit einer Reißzwecke einige Löcher ins Plastik, setzen einen Taster und eine LED (mitsamt eines um ein Bein verwickelten Widerstands) ein und schließen anschließend die beiden Bauteile mit Hilfe einiger Jumper-Kabel an den Pi an.

Nachdem das Ei dann noch etwas angemalt und gestaltet wurde (am liebsten als kleiner "Minion"), geht es an die Programmierung. Die auf dem Standard-Betriebssystem Raspbian vorinstallierte Version von Scratch kommt mit einem GPIO-Server, der durch einen Klick aktiviert wird. Anschließend muss dem Programm lediglich mitgeteilt werden, an welchem Pin der Knopf (Input) und an welchem die LED (Output) angeschlossen ist. Fertig ist der Controller, mit dem sich nun ein selbst programmiertes Spiel steuern lässt [4].

Auch die Programmierung in Python ist dank der "GPIO-Zero"-Bibliothek einfach. Mit wenigen Zeilen Code können die Kinder ihren Ü-Ei-Controller z. B. dazu verwenden, Blöcke in die Minecraft-Welt zu setzen. Damit das Ei auch nach dem Workshop noch "sinnvoll" genutzt werden kann, kleben die Kids am Ende zwei Büroklammern an eine Knopfzellen-Batterie und bauen einen kleinen Stromkreis, der dafür sorgt, dass die LED auch ohne Raspberry Pi leuchtet, sobald man den Knopf drückt.

Durch dieses "Physical Computing" entdecken Kinder ganz nebenbei Grundlagen der Elektrotechnik, etwa wenn die Frage aufkommt, was die bunten Kreise auf dem Widerstand bedeuten oder auffällt, dass eine LED nicht leuchtet, wenn man Plus- und Minuspol vertauscht.

Die notwendigen Bauteile gibt es fast schon zum Nulltarif: Die Materialkosten für einen Ü-Ei-Controller etwa betragen ca. 50 Cent. Auch das Material für komplexere Steuerungsgeräte – etwa ein Joystick in einer IKEA-Kiste – kostet nur ca. 10 Euro.

Hier zeigt sich eine der größten Stärken des Raspberry Pi, denn auch ohne Gelder aus dem Digitalpakt können Schulen mit dem Mini-Rechner Kindern zeigen, wie die digitale Welt funktioniert. Im Gegensatz zu LEGO-Mindstorms oder anderen programmierbaren Robotern wird der Pi auch so schnell nicht langweilig, denn er kann noch viel mehr als Python und Scratch.

Unendliche Möglichkeiten

Im Laufe der Jahre hat die Community zahlreiche weitere spannende Projekte auf dem Raspberry Pi realisiert, die monatlich im kostenlos herunterladbaren "Mag Pi"-Magazin vorgestellt werden, von denen hier nur eine Handvoll kurz vorgestellt werden soll:

  • Sonic Pi – Mit der Programmiersprache Sonic Pi etwa lässt sich Musik in erstaunlicher Qualität programmieren. Der Erfinder Sam Aaron gibt sogar Live-Codingkonzerte, bei denen er die Musik in Echtzeit programmiert und den Code per Beamer dem Publikum präsentiert.
  • Bilderkennung – Mit einer angeschlossenen Kamera und der Software "Open CV" lässt sich zudem anschaulich zeigen, wie Gesichtserkennung funktioniert und wie man den Computer darauf trainieren kann, bestimmte Objekte zu erkennen.
  • RFID-Reader – Auch ein für wenige Euro erhältlicher RFID-Reader lässt sich an den Raspberry Pi anschließen. Mit ihm können Kinder und Jugendliche entdecken, wie kontaktloses Bezahlen funktioniert und warum der dafür notwendige Chip im Inneren einer EC-Karte keine eigene Stromversorgung benötigt, sondern wie ihre elektronische Zahnbürste per Induktion mit Strom versorgt wird.
  • Dash-Button – Der Raspberry Pi kann auch dazu verwendet werden, das Internet of Things zu entdecken, etwa indem ein Amazon Dash-Button mit Hilfe eines kleinen Python-Skripts plötzlich nicht mehr die Kasse von Jeff Bezos füllt, sondern eine an den Pi angeschlossene LED zum Leuchten bringt.
  • Linux – Der Raspberry Pi ist zudem für nahezu alle unsere Workshop-Teilnehmer*innen die erste Berührung mit der Linux-Welt. Kaum jemand weiß, dass dieses Open-Source-Betriebsystem der eigentliche Motor unserer digitalen Welt ist. Auf nahezu allen Supercomputern und den meisten Webservern dieser Welt läuft Linux und selbst Microsoft setzt beim Internet of Things auf Linux. Außerdem fühlen sich die meisten Kinder dem Hacker-Dasein nie näher als beim Eintippen der ersten Befehle in die Kommandozeile.

Der Raspberry Pi in der Schule

Auch im regulären Schulunterricht kann der Raspberry Pi eingesetzt werden, etwa um im Deutschunterricht das Lieblingsbuch in ein Scratch-Spiel umzuwandeln und so mehr über Erzählperspektiven und die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Medien in Bezug aufs Erzählen von Geschichten zu erfahren [6].

Digitale Bildung kann ganz ohne Produkte von Google, Microsoft oder Apple erfolgen.

Die neuen Lehrpläne, etwa in NRW, sehen genau dies vor: Informatik soll nicht in einem eigenen Fach, sondern im regulären Fächerkanon vermittelt werden, also auch im Fremdsprachen- und Geschichtsunterricht.

Diese Herangehensweise zeigt: Digitale Bildung, wie sie allerorten von der Politik gefordert ist, kann ganz ohne Produkte von Google, Microsoft oder Apple erfolgen. Auch ein großes Budget ist nicht erforderlich. Wir haben jüngst einen Satz von 30 Raspberry Pi Zero W inkl. Anleitungsbuch, Adapterkabeln und Micro-SD-Karte für gerade einmal 700,-€ erstanden. Ein iPad der neuesten Generation kostet inkl. Tastatur und Stift knapp das Doppelte. Für die Inbetriebnahme des Pi reicht hingegen ein alter Monitor sowie USB-Maus & -Tastatur, die entweder für wenig Geld gekauft werden können oder ohnehin in der Abstellkammer (wenn nicht der Schule, dann des Betriebs auf der gegenüberliegenden Straßenseite) auf eine zweite Chance warten.

Die neueste Version des Raspberry Pi besitzt mit einem 1,4-GHz-Quad-Core-Prozessor mit 64 Bit, Dual-Band-WLAN und 1 GB Ram genügend Power, nicht nur für Scratch und Python, sondern auch für Libre Office und ruckelfreie 1080p-YouTube-Videos. Kurzum: Der Pi bietet bereits heute alles, was ein Schul-PC können muss.

Aber kann Lehrkräften neben den Herausforderungen von Inklusion und Integration auch noch zugemutet werden, Programmieren zu lernen und sich mit Hardware wie dem Raspberry Pi zu beschäftigen? Unbedingt, denn die Erfahrung aus zahlreichen Workshops zeigt, dass der Funke der Begeisterung schnell überspringt und die Vorteile der preisgünstigen und flexiblen Hardware vor allem solche Kolleginnen und Kollegen im Lehrerzimmer überzeugt, die eine Einflussnahme großer IT-Firmen auf die Unterrichtsinhalte und das System Schule befürchten.

Im Gegensatz zur Situation vor 10 Jahren ist heute übrigens kaum eine Lehrkraft in Deutschland mehr der Meinung, dass Computer und IT-Wissen in der Schule nichts zu suchen haben. Es gibt vielmehr einen enormen Bedarf an professionellen Lehrerfortbildungen. Aufgrund des Lehrermangels ist jedoch jeder Tag, ja eigentlich jede Stunde Fortbildungszeit mit Unterrichtsausfall und anderen Problemen verbunden.

Vorbild England

Einen Ausweg aus dieser Misere zeigt uns das Heimatland des Raspberry Pi. In England wurde das Projekt "Computing At School" (CAS) ins Leben gerufen. Ab der 1. Klasse werden seit 2014 alle Schülerinnen und Schüler in England im Fach "Computing" unterrichtet. Das Besondere: Der Staat hat zu Beginn keine zusätzlichen Finanzen bereitgestellt, stattdessen sollten Universitäten, Unternehmen, Schulen und alle anderen Interessierten Ideen präsentieren und Initiativen zur Fortbildung der Lehrkräfte gründen [7,8]. Das anfängliche Chaos war gleichzeitig auch ein kreativer Wettbewerb um die besten Ideen und Produkte für den IT-Unterricht in der Schule. Die BBC hat den micro:bit – einen kleinen Computer speziell für Kinder – 2015 präsentiert und mit Hilfe von Spenden aus der Industrie an alle Schülerinnen und Schüler der 7. Klassen verschenkt; Google hatte 2013 bereits 15.000 Raspberry Pis an Schulen verschenkt.

In Deutschland wären solche Aktionen undenkbar, geschenkte Hardware würden die meisten Schulen gar nicht erst annehmen. Initiativen von Facebook oder Apple, die sich in der Bildung engagieren möchten, haben es hierzulande ebenfalls schwer. Auf dieses Verbot der Einflussnahme kann man jedoch nur vordergründig stolz sein, denn die Weigerung zur Kooperation mit der Industrie fördert auch verborgenen und unregulierten Lobbyismus und verhindert gleichzeitig eine öffentliche Debatte um Inhalte und Ziele der "digitalen Bildung" nach englischem Vorbild.

Das Verzögern des Digitalpakts ist vorerst der traurige Höhepunkt einer ideenlosen und uninspirierten deutschen Schulpolitik.

Dort ist das Bildungssystem in Sachen Digitalisierung Deutschland meilenweit voraus: Zuletzt wurden die Raspberry Pi Foundation und die British Computing Society damit beauftragt, ein "Centre for Computing Education" ins Leben zu rufen. Vom Staat mit 84 Millionen Pfund finanziert, werden in Kooperation mit der Universität Cambridge die wohl hochwertigsten IT-Lehrerfortbildungen der Welt angeboten.

Das Verzögern des Digitalpakts ist vorerst der traurige Höhepunkt einer ideenlosen und uninspirierten deutschen Schulpolitik. Denn selbst wenn das Geld fließt, haben die meisten Schulen keinen Plan, wofür sie das Geld einsetzen sollen. Stattdessen wird wahrscheinlich wahllos Hardware angeschafft, die aufgrund mangelnder Wartung und Kenntnisse der Lehrkräfte im Schrank verstauben.

Was ist zu tun?

Schülerinnen und Schüler lediglich im Bedienen cooler Apps zu schulen, die einen möglichst professionell aussehendes Output erzeugen, ist ohnehin wenig sinnvoll, da dieses Wissen mit der nächsten Geräte- oder Softwaregeneration obsolet wird.

Geräte wie der Raspberry Pi setzen hingegen tiefer an und ermöglichen den Erwerb eines wirklich tragfähigen und universellen IT-Wissens und genau dieses Wissen benötigt die heranwachsende Generation, um zu verstehen, wie die digitale Welt aufgebaut ist und wie man sie selbst manipulieren kann, statt von ihr manipuliert zu werden.

Eine ARD-Themenwoche im November 2019 wird sich ausführlich mit dem Thema "Zukunft der Bildung" beschäftigen. Dies wäre ein hervorragender Anlass, um eine gesellschaftliche Debatte über die Inhalte digitaler Bildung anzustoßen. Dazu könnte es eine öffentliche Plattform geben, auf der die Inhalte anschließend gesichtet, zusammengefasst und präsentiert werden.

Wie wäre es z. B. mit einer Samstagabend-Show zum Mitmachen, die die Grundlagen des Programmierens auf unterhaltsame Weise Kindern beibringt? Und warum beteiligen sich die öffentlich-rechtlichen Sender nicht auch an der Digitalisierung der Schulen, so wie es die BBC seit Jahrzehnten tut? Auf der öffentlich-rechtlichen Bildungsseite "Planet Schule" erfährt man zwar etwas über Gehirnforschung, die alten Römer und das Immunsystem, eine Suche nach "Programmieren" läuft jedoch ins Leere [7].

Die Zeit für eine landesweite neue Bildungsinitiative wäre günstig, denn immer mehr Menschen beginnen zu verstehen, welchen Einfluss z. B. Algorithmen in sozialen Netzwerken auf ihr Leben haben. Und spätestens der Cyberangriff auf Politiker und Prominente Anfang Januar 2019 zeigt anschaulich, wie verwundbar eine unaufgeklärte Gesellschaft im digitalen Zeitalter ist.

Quellen
  1. Youtube: Codingschule
  2. Computer Science Unplugged
  3. Youtube: Das kreativste Werkzeug der Welt
  4. Anleitung zum Bau eines Ü-Ei-Controllers (Buddy-Book)
  5. Themenheft Computerspiele auf medienistik.de
  6. Microsoft: S. P. Jones, Computing at school in the UK, April 2013
  7. Interview mit S. P. Jones: Schulfach "Computing" ab Klasse 1
  8. Bildungsseite "Planet Schule"

Autor

Tobias Hübner

Tobias Hübner hat das Start-up Codingschule mit aufgebaut und engagiert sich für den Einsatz von Open-Source-Software und freien Bildungsmaterialien (OER) in der Schule.
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