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Es muss nicht immer der Raspberry Pi sein: Linux-Magazin-Autor Stefan Wintermeyer bricht eine Lanze für den Einsatz des Calliope Mini im Unterricht. Ein Interview mit dem IT-erfahrenen Lehrer Tobias Hübner zeigt aber auch: In den Schulen hapert es in Sachen Computer aktuell nicht nur an der Technik.

Anfang 2018 machte das Foto eines außergewöhnlichen Lehrers aus Ghana in den sozialen Medien weltweit die Runde [1]. Richard Appiah Akoto wollte seinen Schülern die Grundlagen von Microsoft Word beibringen. Allerdings standen ihm zu diesem Zweck keine Computer zur Verfügung. In seiner Not malte er das GUI der Anwendung mit Kreide in verschiedenen Farben an die Tafel und erklärte mit Hilfe von Pfeilen offline die Grundfunktionen.

In Deutschland beeindruckte dieses Engagement viele, einige witzelten aber auch hinter vorgehaltener Hand. Als Vater von zwei Grundschulkindern kann ich über das Thema Computernutzung an Schulen längst nicht mehr schmunzeln. Zwar fordern viele Politiker Programmierunterricht bereits in der Grundschule, aber was die Ausstattung diesbezüglich angeht, sind die meisten deutschen Grundschulen nicht viel weiter als die in Ghana.

Sind Computerräume vorhanden, dann fehlt es an Rechnern für alle Schüler einer Klasse. Geräte und Software sind häufig veraltet, mitunter gibt es nicht mal WLAN. Hinzu kommt Streit um das Betriebssystem. Die einen wollen Windows, weil das am weitesten verbreitet ist. Open-Source-Verfechter bestehen auf Linux oder BSD, weil das keine proprietären Elemente enthält. Die Apple-Fraktion möchte überall schicke iPads und Macs einsetzen. Alle drei Lager haben ihre Argumente und werden sich voraussichtlich nie auf eine Plattform einigen.

Raspberry Pi in der Schule?

Seit ein paar Jahren handeln viele den Raspberry Pi als Heilmittel. Passiert ist aber, bis auf Ausnahmen (siehe Kasten “Gründe für den Raspberry”), recht wenig. Warum? Der Pi richtet sich eher an IT-Begeisterte, nicht an Grundschullehrer und -schüler. Das beginnt mit der Hardware. Zwar kostet die Platine nur 30 Euro, aber ohne Monitor, Tastatur, Maus und SD-Karte lässt sich ein Raspberry nur schlecht einsetzen. Auch fehlt eine einheitliche und einfache Lernumgebung.

Calliope als Alternative

Ein jüngerer Versuch, dieses Problem zu lösen, heißt Calliope Mini [2]. Wie der Raspberry Pi ist auch dieser Rechner ein kleiner Einplatinencomputer (32 Bit, ARM-Cortex-M0-Prozessor mit 16-MHz-Taktung und 16 KByte RAM). Er geht für etwa 35 Euro über den Ladentisch und befindet sich damit im gleichen Preissegment wie der Raspberry Pi.

Doch liefern die Hersteller alle Extras mit. Dazu zählen: ein kleines 5-mal-5-Matrix-Display, eine RGB-LED, zwei kleine Taster für Eingaben, ein kleiner Piezo-Lautsprecher, ein Beschleunigungssensor, ein Gyroskop und ein Magnetometer. Packt der Nutzer das Gerät aus und schließt die mitgelieferte Batterie an, startet der Calliope automatisch ein vorinstalliertes Programm. Das überprüft Tasten und Sensoren und gibt Feedback.

Die Hardware kommt in einer kleinen quadratischen Box (10 mal 10 mal 4 cm), neben dem kleinen Computer liegen Batterien, Kabel und ein paar Aufkleber. Auf der Box gibt es ein Feld “Name”, in das jeder Schüler den eigenen Namen eintragen kann, um den Calliope Mini gleich mit nach Hause zu nehmen. Alles zusammen wiegt die Box 95 Gramm und passt damit in jeden Schulranzen.

Spatz in der Hand

Ist der Calliope Mini perfekt? Nein! Die 5-mal-5-Matrix ist schon ein reichlich grobes Raster und das Batterie-Anschlusskabel lässt sich von Kindern nur schwer anstöpseln. Dennoch weist das System aktuell beste Voraussetzungen auf, um Grundschülern die Grundlagen des Programmierens beizubringen.

Vielleicht hat in zehn Jahren jeder Grundschüler ein eigenes quelloffenes Android-Tablet, das sich auch als Lernplattform fürs Programmieren eignet. Aktuell sieht es jedoch nicht danach aus, und da ist mir der Spatz in der Hand lieber als die Taube auf dem Dach.

Verbreitung

Wie so oft in der IT-Welt zählt nur zum Teil, ob eine bestimmte Plattform besser ist als eine andere. Vielmehr geht es um das Momentum für die Verbreitung. Aktuell bekommt der Calliope Mini in vielen Bundesländern Rückenwind. In Berlin geht 2018 die Pilotphase in die zweite Runde [3]. In den nächsten 18 Monaten sollen dort 50 weitere Schulen Calliopes erhalten, aktuell gibt es zudem Zuschüsse für ganze Klassensätze (Antragsunterlagen siehe [4]).

Kritiker befürchten hingegen eine mögliche Einflussnahme von Google und Microsoft, die das Projekt unterstützen, Lobbycontrol warnt zum Beispiel vor einem “Unternehmenseinfluss an Schulen” [5]. Ob aber die aktuelle Situation nicht schlechter ist (siehe Kasten “Gründe für den Raspberry”) muss wohl jede Schule selbst entscheiden. Diese politischen und technischen Diskussionen bremsen den ursprünglichen Elan des Projekts jedenfalls etwas aus.

So arbeitet der Calliope Mini

Meine zwei Kinder gehen in die 2. und 3. Klasse. Fast jedes Jahr bringen die beiden eine CD oder DVD mit begleitender Software zu Schulbüchern mit nach Hause. Auch wenn im Haushalt bestimmt kein Computer-Engpass herrscht, gibt es am Ende oft traurige Kindergesichter. Fast immer läuft die Software nur unter einem (teils antiken) Windows.

Die Calliope-Entwickler machen es besser. Die Programmierumgebung liegt als Webanwendung vor, die auf allen Betriebssystemen läuft. Sie ist kostenlos, die Schüler müssen sich auch nicht erst registrieren. Alle Bücher und die Dokumentation (also auch die Schulbücher) erscheinen als Open Educational Resources (OER) unter der Creative-Commons-Lizenz (CC-BY-SA, [6]).

Die Webseite [2] verlinkt auch auf die aktuell verfügbaren IDEs. Ein darin erstelltes Programm lädt der Schüler zunächst herunter. Dann schließt er den Calliope Mini per USB-Kabel an den Rechner an. Der erscheint als USB-Laufwerk. Der Schüler schiebt das Programm einfach auf dieses Laufwerk. Am Ende hängt er es wieder aus – das war’s. Der Calliope Mini bootet danach selbstständig und startet das gerade installierte Programm. Das funktioniert, weil die Nutzer das Programm stets als Image überspielen, zu dem auch das Betriebssystem gehört.

Batteriebetrieben

Um den Calliope auf diese Weise zu verwenden, benötigt die Schule natürlich noch immer Computer. Aber es ist egal, welche Hardware und welches Betriebssystem diese nutzen. Hauptsache die Rechner bringen einen USB-Anschluss mit und verfügen über einen Webbrowser. Selbst iPads und iPhones lassen sich mit einer dafür zu installierenden Calliope-App verwenden. Sie kommunizieren dann per Bluetooth mit dem Minirechner. Allerdings entpuppt sich hier das einmalige Installieren eines Bluetooth-Image auf dem Calliope Mini als etwas hakelig.

Mehrere Schüler können sich übrigens einen Entwicklungsrechner teilen, da die Calliopes dank der Batterie autark laufen. Schüler können Hausaufgaben auf einem beliebigen Computer mit Internetbrowser zu Hause erledigen. Die Unabhängigkeit von einem bestimmten Betriebssystem ist wichtig, wenn eine Lernplattform erfolgreich sein soll.

Online-IDEs

Die beliebtesten Online-IDEs stammen vom Fraunhofer Institut [7] und von Microsoft [8]. Beide eignen sich sehr gut zum Entwickeln, alle Programmierbeispiele in diesem Artikel sind mit der Fraunhofer-Lösung programmiert. Der Hauptvorteil des Open Roberta Lab [7] besteht darin, dass sich diese Software auch offline auf einem lokalen Schulserver installieren lässt [9]. Sie setzt nicht zwingend einen Internetanschluss aller Schulcomputer voraus. Der Sourcecode dafür wartet auf Github [10].

Um die Möglichkeiten und Grenzen des Systems darzustellen, folgen hier ein paar anschauliche und eher kurze Programmierbeispiele.

“Hello World” und Tastendruck

Beim ersten Start der IDE [7] muss der Anwender die Zielplattform Calliope Mini (2017) auswählen, da die IDE verschiedene Systeme unterstützt. Als erstes Programm wähle ich eine sich wiederholende Anzeige des Textes “Hallo” (Abbildung 1). Da nicht alle Grundschüler Englisch beherrschen, verzichte ich auf den Klassiker “Hello World”. Das Programmieren funktioniert dank der vom Fraunhofer Institut entwickelten Programmiersprache Nepo [11] per Drag & Drop mit der Maus im Browser. Links aus dem Menü zieht der Mausbesitzer Nepo-Blöcke mit unterschiedlichen Komponenten und Eigenschaften, um sie rechts in den Programmcode einzubauen. Das Ganze erinnert entfernt an einen Programmablaufplan. Den Anfang des Programms markiert der Block »Start«.

Abbildung 1: Ein einfaches “Hello-World”-Programm für Grundschüler.

Wer will, kann das Programm im eingebauten Simulator testen. Um den zu starten, genügt ein Klick rechts auf den Reiter »SIM«. Der Simulator malt eine Grafik vom Calliope auf den Schirm und lässt sich mit der Maus bedienen (Abbildung 2). Das 5-mal-5-Matrix-Display zeigt als Laufschrift den Text “Hallo” an.

Abbildung 2: Der Simulator lässt sich mit der Maus bedienen.

Links (A) und rechts (B) neben der Anzeigematrix warten zudem zwei kleine Taster. Diese lassen sich für Eingaben der Anwender verwenden. Damit das funktioniert, setze ich als Erstes die Matrix auf einen Standard-Wert. Im Anschluss starte ich eine Endlosschleife, die auf Eingaben über A und B mit der Anzeige zweier Grafiken (Herz und Smiley) reagiert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Programm malt beim Nutzen der A- und B-Taster Herzen und Smileys auf das Display.

Fertige Programme lassen sich übrigens per Link an andere Schüler oder die Lehrer weitergeben. Allerdings enkodiert die IDE den Code etwas umständlich in der URL, was zu langen Links führt.

Das aus dem Programm resultierende Image lässt sich zudem über den Browser herunterladen. Ist der Calliope Mini bereits als USB-Laufwerk angeschlossen, schiebt der Nutzer das Image auf diesen. Andernfalls lagert er die Calliope-Anwendung erst einmal lokal als ».hex«-Datei zwischen, um sie später auf das Gerät zu kopieren. Ist das Firmware-Image komplett auf dem Minirechner gelandet, bootet dieser automatisch neu und startet das Programm.

Fingerübungen

Zum Programmieren gehören Variablen, und eine weitere einfache Übung dazu ist ein Zählwerk. Als ersten Schritt weise ich der Variablen »x« den Wert »0« zu und zeige diese als Zeichen auf dem Display an. Dann überprüfe ich mit einer Endlosschleife, ob der Nutzer die Tasten A oder B drückt.

Im zweiten Fall erhöht das Programm den Inhalt von »x« um »1«. Bedient der Anwender die Taste A, setzt das Programm »x« auf »0«. Abhängig davon gibt der Calliope Mini den Wert von »x« auf dem Display aus (Abbildung 4). Wer will, kann diesen Code auch überarbeiten und alle Anzeigen von »x« an den Anfang der Endlosschleife setzen.

Abbildung 4: Auch Variablen lassen sich mit dem Calliope Mini problemlos einsetzen.

Das System bringt außerdem einige Sensoren mit. Über den Lage-Sensor steuern Nutzer einen virtuellen Würfel. Dabei wartet eine Endlosschleife auf dieses Ereignis und speichert anschließend eine zufällige Ganzzahl zwischen 1 und 6 in einer Variablen »Augenanzahl« ab (Abbildung 5), um diese dann auf dem Display anzuzeigen.

Abbildung 5: Auch zu einem Glücksspiel sagt der Calliope nicht “Nein”.

Auf dem Calliope Mini befindet sich zudem ein Funkmodul, über das die Platine mit anderen Calliopes in der Nähe kommuniziert. Dazu müssen Programmierer in der IDE in den Expertenmodus wechseln und sich mit den anderen Calliopes auf eine Funkkanal-Nummer einigen, die zwischen 0 und 255 liegen darf.

Das Senden erfolgt über den Block »Sende Nachricht«, das Empfangen klappt über den Block »Empfange Nachricht« (Abbildung 6). In Kombination mit dem Bewegungs- und Lichtsensor lässt sich hiermit außerdem eine kleine verteilte Alarmanlage entwerfen.

Abbildung 6: Auch untereinander können die Calliopes kommunizieren.

Für Maker, aber auch für experimentierfreudige Schüler, sind sicherlich auch die Anschlüsse an die Außenwelt ziemlich interessant. Für solche Belange bringt der Calliope Mini vier analoge Eingänge mit und zudem eine Möglichkeit, um Schrittmotoren zu steuern.

Fazit

Mit dem Calliope Mini haben Kinder bereits innerhalb der ersten Schulstunde ein direktes Erfolgserlebnis und können das leichte Gerät auch gleich mit nach Hause nehmen. Lehrer benötigen zwar eine Einführung, aber kein enormes IT-Know-how.

Meiner Ansicht nach eignet sich die Hardware aber nicht nur als eine Plattform für Grundschüler. Gerade die Möglichkeit, unkompliziert externe Motoren anzusteuern, dürfte auch viele junge Maker an weiterführenden Schulen ansprechen. Der niedrige Preis und die Möglichkeit, das Gerät autark mit Hilfe von Batterien zu betreiben, sprechen ebenfalls dafür. Je nach der eingesetzten IDE lässt sich die Hardware zudem mit verbreiteten Programmiersprachen ansprechen, zum Beispiel mit Javascript. (kki)