Meisterschaft der Maschinen: RoboCup Junior für Ingenieure von morgen

Meisterschaft der Maschinen: RoboCup Junior für die Spitzeningenieure von Morgen

Wissen | Hintergrund

Bild: RoboCup German Open

RoboCup Junior ermöglicht Schülerinnen und Schülern, sich spielerisch mit Technik zu beschäftigen. Die Spielfelder sind kleiner, die Hardware deutlich preiswerter als bei den Wettbewerben der Großen. Voneinander lernen ist auch hier angesagtes Ziel.

Seminarräume werden zu Konstruktionsbüros, die Mensa zum Show-Case für High-Tech-Maschinen, das Audimax große Bühne für extravagante Vorstellungen – es geht hoch her, wenn sich Schülerinnen und Schüler mit Robotern beschäftigen. Etliche Hochschulen werben inzwischen mit Roboter-Wettbewerben für Schüler, für sich selbst und für die „Sache“: Man will Jugendliche für Technik begeistern. Vergleichbare Aktionstage finden das ganze Jahr über statt.

Viele Wettbewerbe sind allerdings Einzelereignisse ohne Bezug zu ähnlichen Veranstaltungen. Anders der RoboCup Junior: Er unterscheidet sich in wesentlichen Punkten von dieser Wettbewerbskultur und kann dadurch weitergehende Ziele erreichen.

Nach seinem Selbstverständnis ist RoboCup die Junior (RCJ) ein projektorientiertes Bildungsprogramm für Schülerinnen und Schüler bis zum Alter von 19 Jahren. RCJ will ein praxisorientiertes Umfeld bieten, Kinder und Jugendliche für Technik begeistern und ihnen die Möglichkeit geben, ihr Wissen zu vertiefen.

In Deutschland findet der RoboCup Junior seit über 15 Jahren jährlich statt. Er ist damit ein verlässlicher Partner für die Teilnehmer und für die Einrichtungen, die eine Teilnahme am RCJ fördern. Dies sind zumeist Schulen, aber auch Bildungseinrichtungen im außerschulischen Bereich wie Schüler-Forschungs-Zentren, die Aktivitäten im Bereich Robotik anbieten.

Die Lehrer, Ausbilder und Mentoren der Einrichtungen wissen im Vorfeld, auf welche Aufgabenstellung sie ihre Schüler vorbereiten müssen. Da der Wettbewerb auch in den nachfolgenden Jahren stattfindet, können sie auf den vermittelten respektive erworbenen Kenntnissen aufbauen. Die Schüler lernen in den Wettbewerben auch die Ideen anderer Teams kennen. Indem sie diese neu gewonnenen Erkenntnisse in ihre eigenen Systeme integrieren, vertiefen sie ihr Wissen und ihre Fähigkeiten in ganz anderem Maß, als es bei einer einmaligen Veranstaltung möglich wäre.

Obwohl sich die Aufgabenstellung über die Jahre immer nur leicht verändert, bleiben die Schüler motiviert, sich zu verbessern. Die Struktur der Wettbewerbsrunden mit regionaler, nationaler und internationaler Runde gewährleistet, dass auch die besten Schüler stets auf Teams treffen, die die Wettbewerbsziele mit anderen erfolgversprechenden Problemlösungen erreichen. Das spornt sie an, sich auch in der folgenden Saison weiter zu verbessern, statt sich mit dem Erreichten zufrieden zu geben.

An der Universität findet der RoboCup Junior dann in den Major-Ligen seine Fortsetzung und bietet damit eine Perspektive weit über die Schule hinaus.

Die Schülerinnen und Schüler können ihre Roboter beim RoboCup Junior in drei Disziplinen schicken. Sie müssen dort tanzen, Fußball spielen oder Rettungsmissionen absolvieren.

Fußball spielen

In der Soccer Liga treten Roboter von zwei gegnerischen Mannschaften auf einem durch weiße Linien abgegrenzten Feld gegeneinander an. Die Roboter dürfen das Feld nicht verlassen, sie müssen autonom agieren und versuchen, den Ball ins gegnerische Tor zu befördern.

In der Liga für die fortgeschrittensten Schüler handelt es sich um einen orangefarbenen Ball, der mit Kamerasystemen geortet werden muss. In den anderen Ligen wird ein aktiver Ball eingesetzt, der gut detektierbare Infrarotsignale aussendet. Mit Hilfe preiswerter und leicht zugänglichen Sensoren können die Roboter den Ball „sehen“ und dann entsprechend ihrer Programmierung reagieren.

Finden und retten

In der Rescue-Liga bewegen sich Roboter in verschiedenen „Katastrophenszenarien“: Sie müssen sich im Terrain zurechtfinden, Opfer entdecken und diese entweder melden oder in einen sicheren Bereich transportieren.

Im Szenario "Rescue Line" dienen schwarze Linien, die unterbrochen sein können oder Kreuzungen haben, als Wegweiser durch die Arena. "Rescue Maze" führt dagegen durch ein klassisches Labyrinth mit Wänden und Durchgängen. Die „Opfer“ sind Wärme-Pads, die von den Robotern mittels Sensoren entdeckt werden müssen, der Fund muss gemeldet und den Opfern durch die Abgabe eines Rettungs-Kits durch den Roboter geholfen werden.

Bühnenshow entwickeln

On-Stage ist ein kreativer Wettbewerb, in dem die Schüler zusammen mit ihren Robotern eine kleine Bühnenshow aufbieten. Der Tanzwettbewerb galt zunächst als Einstiegsliga, weil man einem Roboter im Prinzip auch ohne Sensoren rhythmische Bewegungen einprogrammieren kann. Dann können kleine Unebenheiten im Boden oder Unregelmäßigkeiten im Antrieb den Roboter allerdings schnell aus dem Takt bringen. Deshalb kommunizieren die Roboter über Bluetooth oder Infrarotsensoren miteinander, um ihre Bewegungen aufeinander abzustimmen

Um den Einstieg für neue Schüler und auch neue Bildungseinrichtungen zu erleichtern, wurden in Deutschland Einsteiger-Ligen eingeführt, die nur bis zur nationalen Ebene ausgetragen werden. Sie können mit überschaubaren Einsatz an Material und Anfängerkenntnissen mit Erfolg bestritten werden. Im Bereich Soccer sind dies die Soccer 1-1 Standard Kit Liga und die Wiedereinführung einer Soccer 1-1 Open Liga, die bei den internationalen Runden vor circa zehn Jahren abgeschafft wurde.

In der Standard Kit Liga dürfen nur Roboter aus Bauteilen der Firmen Lego oder Fischer-Technik eingesetzt werden. Hierdurch bleibt gewährleistet, dass alle Teilnehmer die gleichen Hardware-Voraussetzungen haben. Weil viele SchülerInnen die Hardware aus ihren Kinderzimmern kennen, ist der Zugang niederschwellig.

Die Soccer 1-1 Open Liga ist die logische Fortsetzung: Man baut auf den Kenntnissen der Standard Kit Liga auf und erweitert die Roboter um nicht standardisierte Komponenten. Durch die Zweiteilung müssen gerade Einsteiger (Schüler oder Einrichtungen) nicht gleich zu Beginn zwei komplette Systeme entwickeln und finanzieren.

Im Bereich Rescue wird auf internationaler Ebene die Unterteilung in Altersklassen abgeschafft. In Deutschland sollen für Rescue Ligen deshalb auch Einsteigerkonzepte entwickelt werden, die mit einfacheren Systeme zu bewältigen sind. Für die erfahreneren Teilnehmer werden die Rescue Ligen an den Neuerungen der internationalen Wettbewerbe ausgerichtet.

Durch diese Struktur finden Schüler weiterführender Schulen vom Beginn (5. Klasse) bis in die Oberstufe hinein Problemstellungen, an denen sie ihre Kenntnissen und Fähigkeiten weiterentwickeln können.

Typische AG-Karrieren

Am Beispiel der Schule CJD Königswinter, die seit mehr als 10 Jahren Robotik in Arbeitsgemeinschaften anbietet, wird nachfolgend ein typischer „Karriereverlauf“ in der AG für die Soccer-Ligen skizziert:

- Einstieg in der 5. Klasse mit dem Standard-Kit, Programmierung mit der ICON-basierten Programmierplattform des Herstellers.

- Im nächsten Schritt (6. oder 7. Klasse) können die SchülerInnen mit einer Text-basierten Hochsprache (C oder Java) ihren Standard-Roboter programmieren.

- Im dritten oder vierten AG-Jahr steigen die SchülerInnen auf offene Systeme (Soccer 1-1 Open) um. Wenn sie hier gelernt haben, mit offenen Plattformen und Industriekomponenten umzugehen, können sie beginnen, ein Team aus zwei Robotern aufzubauen.

- Meist beginnen die SchülerInnen damit in der 9. oder 10. Klasse. Die Aufgabenstellung trägt sie durch die gesamte Oberstufe.

In den Rescue Ligen verfährt die Schule CJD Königswinter ähnlich. Auch hier steigen die SchülerInnen mit den Standard-Kits und der Icon-basierten Programmiersprache ein. Sie erlernen an diesen Systemen textbasierte Programmiersprachen und erweitern ihre Roboter mit Sensorik und Elektronik aus Industriekomponenten. Auch hier ist die Eigenentwicklung von Robotern die letzte Stufe.

Die mehrstufige Struktur gewährleistet, dass auch SchülerInnen höherer Klassen in die AGs einsteigen können. Bei entsprechend schnellerem Lernfortschritt durchlaufen die SchülerInnen die Etappen in kürzerer Zeit.

Seit fünf Jahren organisiert die CJD Königswinter in Zusammenarbeit mit der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg einen der Qualifikationswettbewerbe des RoboCup Junior am Standort Sankt Augustin. Zusätzlich veranstaltet die Schule seit über zehn Jahren im Deutschen Museum Bonn etwa vier Wochen vor der Qualifikation eine „Generalprobe“. In ihr können die SchülerInnen unter Wettbewerbsbedingungen vor vielen Zuschauern ihre Roboter testen.

Aufgrund dieser Organisation von Wettbewerben pflegt die Schule eine informelle Zusammenarbeit mit anderen Schulen aus der Region Bonn im Bereich der Robotik und kennt so auch die AG-TeilnehmerInnen anderer Schulen. Auf diese Weise überblicken die Lehrer inzwischen viele komplette Schul- und Ausbildungsbiographien von RoboCup-Teilnehmern vom Einstieg bis zum Start ins Berufslebe.

Sie konnten beobachten, dass SchülerInnen, die über mehrere Jahre in den Robotik-Arbeitsgemeinschaften tätig waren und am RoboCup Junior teilgenommen haben, fast alle einen Ausbildungsberuf beziehungsweise ein Studium im Bereich der MINT-Fächer (Mathe, Informatik, Naturwissenschaften, Technik) aufgenommen haben. Dies gilt nicht nur für die besonders erfolgreichen TeilnehmerInnen, die Titel und Pokale bei den Deutschen Meisterschaften oder Weltmeisterschaften einsammeln – es gilt auch für die vielen TeilnehmerInnen, die nicht im Rampenlicht standen. Bei SchülerInnen, die nur ein oder zweimal an Roboter-Wettbewerben teilgenommen haben, ist die Einstiegsquote inein MINT-Fach längst nicht so hoch.

Viele ehemalige RoboCup-Teilnehmer sind heute an der Organisation des RoboCup Junior beteiligt. Das Engagement reicht von der Mitarbeit als Schiedsrichter und Juror bis zur Betreuung und den Aufbau eigener Schüler-Teams.

Eine quantitative Analyse zur Erfolgsquote – wie viel Prozent der Teilnehmer wählen in der Oberstufe MINT-Leistungsfächer, wie viele ergreifen einen technischen Ausbildungsberuf oder nehmen ein MINT-Studium auf – ist aus Gründen des Datenschutz nicht möglich. Für den Beobachtungsbereich der Schule in Sankt Augustin liegt diese Quote jedoch bei über 90 Prozent.

Auf der anderen Seite muss man konzidieren, dass Ausbildung ein langwieriger Prozess ist: Vom Beginn einer Laufbahn (im Robocup Junior) bis zum Übergang ins Berufsleben vergehen viele Jahre – genau genommen bis zu 15 Jahre inklusive Schulzeit, Studium und Promotion. Die positiven Auswirkungen, die die Lehrkräfte am CJD Königswinter heute beobachten, beruhen auf den Anstrengungen der beteiligten Organisatoren und Mentoren vor zehn Jahren. Die jugendlichen Teilnehmer der damaligen WM sind die jungen Ingenieure von heute und sie sind maßgeblich an den Innovationen von Morgen beteiligt. (uk)

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