Binnendifferenzierung im Arduino-Unterricht: 1 Projekt, 3 Stufen

Für Binnendifferenzierung im Arduino-Unterricht musst du keine drei getrennten Stunden planen: Die ganze Klasse baut dasselbe Projekt, aber jedes Projekt wird in drei Stufen geteilt. Die Basisstufe bringt das Projekt zum Laufen und ändert einen einzigen Wert, die Aufbaustufe ergänzt das Projekt um ein neues Verhalten, die Expertenstufe ändert die Struktur des Programms. Wer auf welcher Stufe beginnt, findest du in der ersten Stunde mit einer 10-minütigen Diagnose heraus, und auch die Gruppen sind nicht fest, sondern wechseln je nach Phase der Stunde. So sieht der Schüler, der noch nie Code gesehen hat, am Ende der Stunde eine funktionierende Ampel, die Schülerin mit Robotererfahrung schreibt dieselbe Ampel ohne delay() neu, und beide können sich trotzdem über dieselbe Schaltung unterhalten.

In diesem Beitrag findest du alle Teile dieser Vorlage: drei Fragen und eine Mini-Aufgabe für die Diagnose, eine Tabelle, die die Punktzahl in eine Stufe übersetzt, fertige Basis-, Aufbau- und Expertenaufgaben für vier kostenlose BlueGrays-Projekte, wann welche von vier Gruppenformen funktioniert, ein Erweiterungsmenü für schnelle Schüler, eine Liste mit Hilfen für Schüler mit Unterstützungsbedarf, eine Bewertung, die jede und jeden von der eigenen Stufe aus misst, und einen minutengenauen Ablauf für eine Unterrichtsstunde. Die Beispiele beruhen alle auf derselben Annahme: eine Klasse mit 24 Schülerinnen und Schülern, 12 Arduino-Uno-Sets, Partnerarbeit und eine Stunde von 40 bis 45 Minuten. Die Organisation im Klassenraum (Set-Kisten, Hilfe-Warteschlange, Aufräumen) haben wir im Beitrag zum Arduino-Unterricht in großen Klassen beschrieben, die Themenfolge Woche für Woche im 8-Wochen-Plan für Robotik-Programmierung; hier geht es nur darum, wie du dieselbe Stunde für verschiedene Niveaus öffnest.

Was Differenzierung im Arduino-Unterricht bedeutet und was nicht

Differenzierung heißt, dass alle dasselbe Ziel auf verschiedenen Wegen und unterschiedlich tief erreichen. Im Arduino-Unterricht ist das Ziel meist ein Konzept: digitaler Ausgang, Zeitsteuerung, Bedingung, analoges Einlesen. Lautet das Ziel der Ampelstunde "Reihenfolge und Dauer der Befehle bestimmen das Verhalten des Programms", lernt der Schüler in der Basisstufe das, indem er einen delay()-Wert ändert, die Schülerin in der Expertenstufe, indem sie die Zeitsteuerung mit millis() neu aufbaut. Beide haben dieselbe Idee gelernt, einmal an der Oberfläche, einmal in der Tiefe. Differenzierung kann drei Dinge verändern: die Aufgabe selbst (was getan wird), die Unterstützung (wie viel Hilfe es gibt) und das Produkt (wie gezeigt wird, was gelernt wurde). Die Vorlage in diesem Beitrag nutzt alle drei zusammen.

Differenzierung ist nicht: schnellen Schülern mehr von derselben Arbeit geben (zehn LEDs statt fünf zum Leuchten zu bringen ist keine Tiefe, sondern dieselbe Aufgabe in länger), langsamere Schüler zu einem leichteren Projekt schicken (dann kann die Klasse nicht mehr über dasselbe sprechen) oder Schüler ein ganzes Schuljahr lang als "schwache Gruppe" und "starke Gruppe" etikettieren. Bei Arduino führt so ein Etikett zusätzlich in die Irre, denn die Fähigkeiten wachsen auf drei getrennten Strängen: Schaltungen aufbauen, Code lesen und Fehler suchen. Wer schon einen Roboter gebaut hat, steckt eine Schaltung vielleicht blind, hat aber nie Code gelesen; wer noch nie eine Schaltung gesehen, aber in der Schule Python gelernt hat, versteht den if-Block womöglich vor allen anderen. Deshalb werden Stufen an Aufgaben vergeben, nicht an Personen, und jede Schülerin kann in jeder Stunde eine Stufe aufsteigen.

Eine 10-minütige Diagnose in der ersten Stunde

Die Diagnose dient nicht der Note, sondern der Aufgabenverteilung in der ersten Woche; sag das deinen Schülerinnen und Schülern gleich zu Beginn. Sie wird einzeln und auf Papier gemacht, damit niemand im Schatten des Partners verschwindet. Sie dauert insgesamt 10 Minuten, und das Auswerten von 24 Bögen nach der Stunde kostet dich etwa 10 Minuten. Jede Aufgabe bekommt 0, 1 oder 2 Punkte, insgesamt also höchstens 8.

1. Konzeptfrage (2 Min.): "Warum setzen wir einen Widerstand dazwischen, wenn wir eine LED an den Arduino anschließen?" Wer sagt, dass er den Strom begrenzt, bekommt 2, eine halbe Antwort wie "damit die LED nicht kaputtgeht" 1, ein leeres Feld 0.
2. Code-Lesefrage (2 Min.): Schreib vier Zeilen an die Tafel: digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(2, LOW); delay(1000); Frage: "Was macht dieser Code? Was ändert sich, wenn du statt delay(1000) delay(200) schreibst?" Beides richtig erklärt gibt 2, nur eines 1.
3. Selbsteinschätzung (1 Min.): "Was hast du schon gebaut?" Nichts ist 0; Blockprogrammierung oder ein Projekt aus einem Set nach Anleitung 1; ein Projekt, bei dem eigener Code geschrieben oder geändert wurde, 2.
4. Mini-Aufgabe (4 Min.): Verteile die gedruckte Zeichnung einer LED-Schaltung mit zwei Fehlern: Die LED ist falsch herum eingesetzt und der Widerstand fehlt. Die Schülerin kreist die Fehler ein und schreibt auf, wie sie sie behebt. Beide gefunden gibt 2, einen gefunden 1.
5. Einsammeln (1 Min.): Die Bögen werden eingesammelt. Verrate bis zur nächsten Stunde niemandem die Punktzahl; die Stufen werden in der ersten Stunde still über Aufgabenkarten verteilt.

Die Diagnose auf Papier kannst du mit zwei Werkzeugen in BlueGrays ergänzen. Das erste ist der Einstufungstest im Bereich Fragen des Tages: Dieser Test mit 15 Fragen ordnet die Schülerin einem von sechs Levels zu (A1 Erstes Licht, A2 Schaltungsbauer, B1 Sensorentdecker, B2 Projekttüftler, C1 Systemdesigner, C2 Werkstattmeister). Als grobe Zuordnung kannst du A1–A2 der Basisstufe, B1–B2 der Aufbaustufe und C1–C2 der Expertenstufe gleichsetzen. Das zweite ist die dritte Frage des Projektfinders, Wie viel Erfahrung hast du?: Ihre drei Antworten (Das wird mein erstes Projekt, Ich habe schon ein paar Projekte gebaut, Ich bin sicher, fordert mich) entsprechen fast eins zu eins den drei Stufen und zeigen, wie sich der Schüler selbst sieht. Beides kannst du als Hausaufgabe vor der ersten Stunde geben; der Unterschied zwischen diesem Ergebnis und der Punktzahl auf Papier zeigt dir, wen du genauer beobachten solltest. Die Fragen des Einstufungstests und das Levelsystem haben wir im Beitrag zu den Fragen des Tages ausführlich erklärt.

Ein Projekt, drei Stufen: die Vorlage mit vier kostenlosen Projekten

Die Regel der Vorlage ist einfach. Die Basisstufe bringt das Projekt zum Laufen, ändert einen Wert und beobachtet das Ergebnis; meist ist das die Aufgabe Probier es selbst im Reiter Code verstehen des Projekts. Die Aufbaustufe ergänzt ein neues Verhalten: einen Taster, eine LED, eine Bedingung oder eine Ausgabe im seriellen Monitor. Die Expertenstufe ändert die Struktur des Programms: millis() statt delay(), Array und Schleife statt wiederholter Zeilen, einen Zustand zwischen zwei Schwellwerten halten. Die vier Projekte unten sind in BlueGrays mit Schaltplan, Code, Blöcken und Code verstehen komplett kostenlos; niemand in der Klasse braucht Premium.

Nutze die Tabelle als Stufenkarten: Drucke die drei Karten jedes Projekts auf A5, gib jedem Paar die Karte seiner Stufe, lass die beiden anderen Karten aber in der Tischmitte liegen. Ein Paar, das mit der Basiskarte fertig ist, darf die Aufbaukarte nehmen; ein Paar, das mit der Expertenkarte kämpft, darf genauso zur Aufbaukarte zurück, und das gilt nicht als Scheitern. Schaltungs- und Code-Details zum Fußgängertaster der Aufbaustufe findest du im Beitrag zur Arduino-Ampel, die nicht blockierende Zeitsteuerung hinter der Expertenstufe im Beitrag zu millis() und delay(). Alle Stufen beruhen auf derselben Grundschaltung; deshalb spricht die Klasse über einen einzigen Schaltplan, und die Expertin kann ihrem Mitschüler aus der Basisstufe sagen: "Schau, die delay()-Zeile, die du geändert hast, gibt es bei mir nicht."

Gruppenformen: welche, und wann?

In einer heterogenen Klasse reicht eine einzige Gruppenform nicht für die ganze Stunde. Bei flexibler Gruppenbildung wechseln die Gruppen je nach Phase: Beim Einführen eines neuen Konzepts erklären sich gemischte Gruppen gegenseitig etwas, bei den Stufenaufgaben arbeiten Paare auf ähnlichem Niveau im eigenen Tempo, am Ende gehen Experten herum. Die Tabelle zeigt, wo jede der vier Formen funktioniert und wo sie nach hinten losgeht.

Pair Programming passt sehr gut zum Arduino-Unterricht, weil die Arbeit zwei Hände hat: Während einer sich um Schaltung und Arduino IDE kümmert, hält der andere Schaltplan und Code des Projekts auf dem Handy offen. Der Navigator lenkt mit "das lange Bein der roten LED kommt in die D2-Reihe" oder "schau dir das delay am Ende von loop an", der Fahrer setzt es um. Der Rollentausch alle 10 Minuten verhindert, dass der Schüler aus der Basisstufe in einem gemischten Paar die Stunde beendet, ohne die Tastatur je berührt zu haben. Bilde die Gruppen nach der ersten Diagnose, erneuere sie aber alle 2–3 Stunden danach, welche Kartenfarbe die Schüler ziehen; ein Paar, das eine Karte aufgestiegen ist, kann die nächste Stunde mit einem neuen Partner beginnen.

Ein Erweiterungsmenü für schnelle Schüler

Einer Schülerin, die früh fertig ist, "hilf deinem Nachbarn" zu sagen, ist leicht, aber für sich genommen keine Erweiterung; auch sie sollte in dieser Stunde etwas Neues lernen. Ein Erweiterungsmenü sorgt dafür, dass sie in dem Moment, in dem sie fertig ist, weiß, was als Nächstes kommt, und nicht zu dir kommen muss. Schreib das Menü in die Ecke der Tafel oder auf die Rückseite der Expertenkarte.

• Probier es selbst, aber ohne Tipp: Die Aufgabe Probier es selbst am Ende des Reiters Code verstehen zuerst lösen, ohne Tipp oder Lösung anzeigen anzutippen, und die eigene Lösung dann mit der in der App vergleichen. Danach für dasselbe Projekt eine neue Aufgabe für die Mitschüler schreiben. Wie die Aufgaben funktionieren, steht im Beitrag zu Code verstehen.
• Karten im Code-Guide: Im Code-Guide sind Karten wie millis(), Arrays und tone() die Grundlage der Expertenaufgaben. Jede Karte endet mit einem Mini-Test und dem Bereich In Projekten ansehen, sodass der Schüler den Befehl in weiteren Projekten von leicht nach schwer sortiert sieht. Wie der Guide aufgebaut ist, erfährst du im Beitrag zu den Arduino-Befehlen.
• Weiter zu Premium-Projekten: Für einen Schüler, der die kostenlosen Projekte geschafft hat, sind die Premium-Projekte mit Sensoren, Displays und Motoren der nächste Schritt. Dafür braucht er weder eine eigene Karte noch ein Abo; einer der unten beschriebenen Lehrer-Codes genügt.
• Ein eigenes Projekt entwerfen: Lass ein Projekt entwerfen, das zwei kostenlose Projekte verbindet: Aus Ampel und Nachtlicht mit LDR wird zum Beispiel eine Ampel, die nachts gelb blinkt. Die Schülerin schreibt zuerst Ziel, Teileliste, Pin-Tabelle und Testplan auf Papier und baut dann. Das fertige Projekt kann sie mit Fotos und Code als Thema der Kategorie Anleitung über Lernen > Forum > Neuer Beitrag teilen; das Thema ist öffentlich, kein privater Klassenbeitrag.
• Mentorenrolle: Am Expertentisch zu sitzen ist eine Aufgabe, keine Belohnung: Der Mentor stellt nur Fragen und erklärt, er fasst keine Kabel an. Eine Stunde als Mentor und die nächste mit der eigenen Expertenaufgabe zu verbringen, lässt schnelle Schüler sowohl durch Erklären als auch durch Tun vorankommen.
• Ein Level-Ziel: Bei den Fragen des Tages öffnet sich der Aufstiegstest, wenn das Level eines Schülers 100 % erreicht und er auf diesem Level genug Fragen gelöst hat; wer 9 von 10 Fragen richtig beantwortet, steigt ein Level auf. Zu Beginn des Halbjahres das Ziel "ein Level aufsteigen" zu setzen, ist eine Erweiterung, die auch außerhalb des Unterrichts weiterläuft.

Um ein paar schnellen Schülern Premium-Projekte zu öffnen, musst du nicht für die ganze Klasse Codes kaufen. Auf dem Bildschirm Lehrer-Pakete im Profil gibt es Pakete mit 5, 10 oder 50 Codes, monatlich oder jährlich. Die Zahlung ist einmalig und verlängert sich nicht automatisch; der Schüler gibt den Code auf dem Bildschirm Code Einlösen ein und wird Premium, ohne eine Karte in seinem Apple- oder Google-Konto zu hinterlegen. Nicht eingelöste Codes verfallen nicht, und unter Meine Codes siehst du, wer welchen Code eingelöst hat. Jeder Code eines Jahrespakets hat 6, jeder Code eines Monatspakets 1 Übertragung: Verschiebt sich der Bedarf im Laufe des Halbjahres zu einem anderen Schüler, kannst du einen eingelösten Code stornieren und mit der Restlaufzeit einen neuen erzeugen. Im 10er-Paket sind die Kosten pro Schüler etwa 20 % niedriger als im 5er-Paket; den aktuellen Preis für dein Land siehst du auf demselben Bildschirm. Eines solltest du deinen Schülern vorher sagen: Wer einen Code einlöst, teilt Namen, Benutzernamen, E-Mail-Adresse und Profilfoto mit der Lehrkraft, die den Code vergeben hat. Die Pakete haben wir im Beitrag zu Premium-Codes für die Klasse ausführlich beschrieben.

Schüler mit Unterstützungsbedarf: die Last verringern, nicht das Ziel

Bei Schülern mit Unterstützungsbedarf geht es nicht darum, ihnen ein leichteres Projekt zu geben, sondern unnötige Last von ihrem Weg zu nehmen, während sie im selben Projekt dieselbe Idee erreichen. Wenn ein Schüler, der noch nie eine Schaltung gesehen hat, in der ersten Stunde gleichzeitig die inneren Verbindungen des Steckbretts, die Richtung der LED, die Portauswahl in der Arduino IDE und den Code lernen soll, hat er am Ende der Stunde nichts davon gelernt. Scaffolding heißt, dass du einen Teil dieser Last vorübergehend selbst trägst; je weiter der Schüler kommt, desto mehr baust du das Gerüst Stück für Stück ab.

• Fertige Schaltung: Gib dem Paar der Basisstufe die Schaltung bereits aufgebaut oder eine halbe Schaltung, bei der nur der Steckbrett-Teil fertig ist. So vergehen die ersten 15 Minuten nicht mit Verkabeln, und die Energie geht in die Frage "welche Zeile ändert was?". In der zweiten Stunde baut der Schüler die halbe Schaltung selbst, in der dritten die ganze.
• Als Blöcke zeigen und Blöcke verstehen: Der Schalter Als Blöcke zeigen auf der Projektseite zeigt dasselbe Programm als Blöcke; ist er an, wird der Reiter Code verstehen zu Blöcke verstehen und erklärt das Programm Schritt für Schritt, Block für Block. Die Blöcke sind zum Lesen da, auf das Board kommt weiterhin der echte Code des Projekts; doch wer den Block "wenn value < 50" gelesen hat, findet die Zeile if (value < 50) im Code ohne Mühe.
• Schrittkarten: Teile Schaltung und Aufgabe auf 5–6 Karten auf, ein Schritt pro Karte: "Steck das lange Bein der roten LED in die D2-Reihe", "Setz den 330-Ω-Widerstand zwischen das kurze Bein der LED und die GND-Reihe". Ist ein Schritt erledigt, dreht der Schüler die Karte um. Die Karten machen Fortschritt sichtbar und verringern die Frage "Was soll ich jetzt machen?".
• Modus Lass es uns zusammen bauen: Der Modus Lass es uns zusammen bauen in der App teilt das Projekt in vier Schritte: Bauteile bereitlegen, Schaltung aufbauen, Code hochladen, Starten und testen. In diesem Modus bleibt der Bildschirm an, und der Schüler kann dort weitermachen, wo er aufgehört hat. Für ein Paar der Basisstufe, das das Handy auf den Tisch legt, wirkt er wie ein fertiger Stapel Schrittkarten. Details zum Modus stehen im Beitrag zum ersten Arduino-Projekt.
• Kurze Ziele: Teile die Stunde in drei kleine Ziele und schreib sie an die Tafel: "1. Die LEDs leuchten nacheinander", "2. Ich habe die Gelbphase geändert", "3. Ich habe meine Änderung in einem Satz erklärt". Wer jedes Ziel abhakt, sieht am Ende der Stunde, was er geschafft hat.
• Der Bereich Wenn du nicht weiterkommst: Der Bereich Wenn du nicht weiterkommst im Reiter Code verstehen listet häufige Symptome und ihre Lösungen. Schüler der Basisstufe daran zu gewöhnen, zuerst dort nachzusehen, dann den Partner zu fragen und erst dann zu dir zu kommen, ist der erste Schritt zum selbstständigen Problemlösen.

Für ein Paar der Basisstufe sieht eine gelungene Stunde so aus: Im Projekt Nachtlicht mit LDR ist die Schaltung schon aufgebaut, die Schüler lesen die Blöcke und sagen mit eigenen Worten "wenn der Wert kleiner als 50 ist, geht die LED an", setzen den Schwellwert auf 300 und laden hoch, decken den LDR mit den Händen ab, sehen, dass die LED jetzt früher angeht, und schreiben bei der Abschlussfrage "je höher der Schwellwert, desto weniger Dunkelheit braucht die LED zum Angehen". Das ist weniger Code als die Hysterese-Aufgabe der Expertenstufe, führt aber zur selben Idee: Das Programm vergleicht eine Messung mit einer Zahl und entscheidet. In der nächsten LDR-Stunde kann dasselbe Paar den Wert im seriellen Monitor ablesen und den Schwellwert selbst wählen und rückt so von selbst in die Aufbaustufe auf.

Faire Bewertung: Jeder wird von der eigenen Stufe aus gemessen

In einer differenzierten Stunde alle nach denselben Kriterien zu benoten, ist in zweifacher Hinsicht unfair: Der Schüler der Basisstufe bekommt eine schlechte Note, weil er nie millis() schreibt, die Schülerin der Expertenstufe die beste Note, ohne je gefordert zu werden. Die Lösung ist, die Bewertung zu teilen. Der erste Teil sind Prozesskriterien, die auf jeder Stufe gleich sind: vorhersagen und testen, erklären, was man getan hat, den Fehler finden. Der zweite Teil fragt, ob der Schüler das Ziel seiner eigenen Stufe erreicht hat und wie weit er seit der ersten Diagnose gekommen ist. Die Tabelle zeigt, wie dasselbe Kriterium auf der Ebene "Ziel erreicht" auf jeder Stufe aussieht. Ausführliche Kriterien, einen Abgabebogen und ein Portfolio findest du im Beitrag Bewertungsraster für den Arduino-Unterricht.

Ein Beispiel zur Notenberechnung: Von 100 Punkten gehen 40 an die Prozesskriterien, die auf jeder Stufe gleich sind (Vorhersage, Erklärung, Fehlersuche), 40 an das Ziel der eigenen Stufe und 20 an den Lernfortschritt. Der Fortschritt bewertet, ob der Schüler im Halbjahr eine Stufe aufgestiegen ist und wie sehr er den schwachen Strang aus der Diagnose (Schaltung, Code lesen oder Fehlersuche) verbessert hat. Angenommen, eine Schülerin mit 2 Punkten in der Diagnose zieht ab der Mitte des Halbjahres Aufbaukarten: Sie bekommt beim Fortschritt die volle Punktzahl. Ein Schüler mit 8 Punkten, der das ganze Halbjahr Expertenaufgaben ohne jede Anstrengung erledigt, holt die Fortschrittspunkte nur, wenn er etwas Neues versucht, etwa als Mentor oder mit einem eigenen Projekt. Lege als gemeinsame Basis fest, dass am Ende des Halbjahres alle die Basisstufe jedes Projekts selbstständig schaffen; so ist die Stufe weder Ober- noch Untergrenze der Note.

Differenzierter Stundenablauf in 40 Minuten: Ampel

Der Ablauf unten nutzt das Projekt Ampel und ist für die erste Stunde nach der Diagnose geplant. Er ist auf 40 Minuten angelegt; bei 45 Minuten verlängerst du einfach die Stufenaufgaben. Angenommen, nach der Diagnose haben 5 der 12 Paare die Basiskarte, 4 die Aufbaukarte und 3 die Expertenkarte bekommen. Beim Lesen des Projekts sitzen zwei Paare gemischt an einem Tisch (ein Basispaar und ein Aufbau- oder Expertenpaar), für Aufbau und Stufenaufgaben geht jedes Paar zurück an sein Set. Anfang und Ende der Stunde sind für alle gleich, die Mitte teilt sich in drei Stufen.

Jede Abschlussfrage verlangt eine Antwort in einem Satz und bestimmt die Stufenverteilung der nächsten Stunde. Basis: "Wenn du die Zeile delay(2000) in delay(5000) änderst, welches Licht leuchtet wie viele Sekunden?" Aufbau: "Was macht dein Programm, wenn du den Taster genau während Gelb drückst, und warum?" Experte: "Warum funktioniert der Tastendruck in der Version mit delay() manchmal nicht?" Wer in der Basisstufe richtig antwortet, wird eingeladen, in der nächsten Stunde die Aufbaukarte zu probieren; ist die Antwort auf der Expertenstufe unklar, bleibt dieser Schüler noch eine Stunde bei der Expertenkarte.

• Diagnosebögen ausgewertet, Startstufe jedes Schülers notiert.
• Die drei Stufenkarten des Projekts gedruckt, genug Kopien für jede Tischmitte.
• Fertige oder halbe Schaltungen und Schrittkarten für die Basisstufe bereit.
• Zusätzliches Material für Aufbau- und Expertenstufe (Taster, LED, 330 Ω, passiver Summer) pro Paar bereitgelegt.
• Gemischte Tischpaare für die Lesephase notiert; 2–3 Schüler der Expertenstufe für den Expertentisch bestimmt.
• Erweiterungsmenü in der Tafelecke, kurze Ziele an der Tafel.
• Abschlussfragen für die drei Stufen auf getrennten Zetteln bereit; die Stufenverteilung der nächsten Stunde wird nach diesen Zetteln aktualisiert.

Eine heterogene Klasse ist, gut organisiert, kein Problem, sondern eine Ressource: Die Expertin vertieft ihr Wissen durch Erklären, und der Schüler der Basisstufe bleibt Teil der Klasse, weil er über dasselbe Projekt spricht. Wenn du deine nächste Stunde planst, kannst du mit einem der vier Projekte aus der Tabelle anfangen; Schaltplan, Code, Blöcke und Code verstehen sind bei allen in der BlueGrays-App kostenlos, und deine Stufenkarten kannst du direkt aus den dortigen Aufgaben Probier es selbst ableiten.