Schülerinnen und Schüler farmen unter Nutzung neuester technischer Möglichkeiten
Projektdurchführung
Waldschule Hagen-Beverstedt gGmbH
Amtsplatz 11
27628 Hagen
Zielsetzung
faNutec -Schülerinnen und Schüler farmen unter Nutzung neuester technischer Möglichkeiten
Ausgangssituation und Problemstellung: Eine zunehmende Fülle an komplexen Unterrichtsinhalten und die Digitalisierung führen zu einem reellen Praxisverlust bei den Schüler:innen. Das Bewusstsein für die Natur und das Zusammenspiel unterschiedlichster Prozesse verschwindet bzw. das Interesse an diesen wird durch fehlende Praxisbezüge im Unterricht nicht mehr geweckt. Dies betrifft insbesondere das Fach der Biologie, welches neben der fachlichen Tiefe auch eine differenzierte Auseinandersetzung mit dem naturwissenschaftlichen Erkenntnisweg voraussetzt.
Hinzu kommt der Mangel an Lehrkräften und die Bewältigung sozialer Herausforderungen, die gelöst werden wollen. Daraus folgt oft eine fachliche Reduzierung im Unterricht und verhindert damit insbesondere Exkursionen, das Besorgen von Realobjekten oder mehrwöchige Experimente.
Die Folge: Schüler:innen verlieren immer mehr den Praxisbezug, welcher zeitaufwendig z. B. über Modelle und Erklärungen hergestellt werden muss. Dadurch wird u. a. das intuitive Lernen verhindert, da sich die Vielseitigkeit und Komplexität nur durch greifbare, reale Objekte unter Einsatz aller Sinne erfahren lassen.
Letztendlich ist unsere (Um-)Welt inkl. ihrer zukünftigen Gestaltung vom Interesse und der Motivation der nachfolgenden Generationen abhängig, da diese sich für oder gegen dessen Schutz einsetzen werden. Die Aufgabe der Lehrenden ist es daher, Unterricht, dessen Inhalte und Zusammenhänge transparent und anschaulich zu gestalten, was den Einbezug vieler Praxisanteile obligatorisch macht. Die Voraussetzungen dafür könnten nicht besser sein, handelt es sich doch um die reale Welt, die teils immer mehr im starken Kontrast zur gelernten Theorie im Klassenzimmer steht. Wesentlicher Handlungsbedarf besteht daher nicht nur bei der Anwendung neuer technischer Möglichkeiten, sondern vielmehr bei der Auswahl an Unterrichtsinhalten und Anschauungsobjekten entsprechend der curricularen Rahmenvorgaben.
Lösungsansatz: Um hier die immer stärker technikaffine Jugend mit einzubinden und deren Interesse an der Natur zu stärken, soll ein sogenannter FarmBot in den Schulalltag integriert werden.
Bei dem FarmBot handelt es sich um einen auf einem 3D-Schienensystem agierenden Roboter mit einer von den Schüler:innen zu programmierender Steuerungstechnik (z. B. pflanzen, wässern, jäten), der eine kleinere Fläche autonom bewirtschaftet. Dieser FarmBot nutzt u. a. eine zu programmierende Software inkl. Kamerasysteme und Werkzeugaufsätze aus selbst angefertigten 3D Drucken, um die gewünschten Aufgaben auszuführen. Der z. B. angestrebte Ernteertrag hängt dabei u. a. davon ab, wie intensiv sich die Schüler:innen neben der Technik auch mit der Biologie der Pflanzen auseinandergesetzt haben und motiviert zusätzlich.
Der Bot bietet daher eine hervorragende Möglichkeit, den Schüler:innen ein solch innovativen Systems experimentell näher zu bringen und in Verbindung mit den Lerninhalten der Biologie zu erforschen. Dabei werden aktuelle Themen in der Praxis erarbeitet und technisches als auch biologisches Fachwissen vermittelt.
Zielsetzung: Am Ende des Projekts wird ein Leitfaden vorliegen, der curriculumorientiert für die Jahrgänge der Sek I und II eines niedersächsischen Gymnasiums die Möglichkeit bietet, in der Schule Modellorganismen als Anschauungsobjekte zu züchten und Experimente durchzuführen. Neben den dafür nötigen Modellvorschlägen werden Zeit-, Arbeits- und Kostenpläne erstellt, um interessierten Schulen einen Überblick und eine Einschätzung in den nötigen Aufwand zu geben. Um den Mehrwert auch statistisch zu erfassen, wird das Projekt der Waldschule Hagen-Beverstedt fachdidaktisch begleitet und evaluiert von der Universität Bremen.
Arbeitsschritte
Im Projekt wurde ein FarmBot als autonomes Bewirtschaftungssystem für ein Schulbeet eingeführt, um den Biologieunterricht praxisnah und digital gestützt zu bereichern. Zu Beginn erfolgten die Abstimmung zwischen Schule und Universität Bremen sowie die Festlegung von Zielsetzung, Aufgabenverteilung und Zeitplanung. Anschließend wurde eine umfassende Recherche zu verfügbaren FarmBot-Modellen durchgeführt, deren Funktionsumfang, Zuverlässigkeit, Erweiterbarkeit und Kosten analysiert und auf dieser Basis das geeignete Modell ausgewählt. Die benötigten Zusatzkomponenten wurden zusammengestellt und das System beschafft.
Parallel dazu wurde der Standort auf dem Schulgelände hinsichtlich Bodenqualität, Licht, Strom- und Wasseranschlüssen sowie Zugänglichkeit bewertet. Das Hochbeet wurde baulich vorbereitet, die Unterkonstruktion angepasst und eine stabile, witterungsbeständige Installation sichergestellt. Nach Lieferung des Systems erfolgte der mechanische Aufbau des FarmBots: Schienenkonstruktion, Portal, Antriebseinheiten, Werkzeugmodule und Bewässerungstechnik. Die elektrische Installation umfasste die Verkabelung aller Motoren, Sensoren und Peripheriegeräte sowie die Einrichtung von Firmware und Webinterface. In mehreren Testphasen wurden Achsbewegungen kalibriert, Werkzeugwechsel und Bewässerung getestet, bis ein stabiler Betrieb gewährleistet war. Technische Herausforderungen wie mechanische Anpassungen, Optimierung der WLAN- bzw. LAN-Verbindung und Softwarefehlerkorrekturen wurden iterativ gelöst. Die Abläufe für Säen, Bewässern und Pflanzenpflege wurden an die Anforderungen des Schulalltags angepasst.
Die Universität Bremen begleitete den gesamten Prozess durch systematische Evaluation. Beobachtungen, Interviews mit Lehrkräften und Schüler*innen sowie Analyse der vom FarmBot erzeugten Daten lieferten Erkenntnisse zur Optimierung des Systems und zur pädagogischen Weiterentwicklung.
Abschließend wurden alle Erfahrungen und Problemlösungen in einem praxisorientierten Leitfaden zusammengefasst, der anderen Schulen den Einstieg in Aufbau, Inbetriebnahme, Fehlerbehebung und didaktische Einbindung erleichtert. So schafft das Projekt eine nachhaltige Grundlage für die Verbreitung des Konzepts und unterstützt Schulen dabei, digitale Technologien sinnvoll in naturwissenschaftliche Lernumgebungen zu integrieren.
Ergebnisse
Die Projektergebnisse zeigen, dass der FarmBot im Schulunterricht geeignet ist, um biologische und technische Lernprozesse praxisnah zu verbinden. Die Vorgehensweise hat sich insgesamt bewährt, erforderte jedoch technische und didaktische Anpassungen. Für den zuverlässigen Betrieb ist eine sorgfältige Planung, exakte Montage und stabile technische Infrastruktur erforderlich. Zusätzliche Beleuchtung an schattigen Standorten sowie Schutzmaßnahmen gegen Witterung, Korrosion und Frost sind zwingend. Durch gezielte Optimierungen konnte die Systemstabilität erhöht werden, besonders während Ferienzeiten.
Strukturelle Grenzen zeigen sich bei Ersatzteilbeschaffung aus dem Ausland und dem hohen Bedarf an fachlich versierter Betreuung. Betreuung über externe IT-Dienstleister erwies sich als wenig praktikabel, während eine kontinuierliche Betreuung durch eine schulische AG tragfähiger ist. Eine stärkere Anbindung an den Informatikunterricht kann technische Kompetenzen systematisch fördern und Abhängigkeiten reduzieren. Die Zusammenarbeit mit der wissenschaftlichen Begleitung war konstruktiv und unterstützte die Weiterentwicklung.
Pädagogisch zeigte sich die Notwendigkeit adaptiver Konzepte. Der geringe Ertrag im ersten Jahr machte Anpassungen bei Gruppengröße, Aufgabenverteilung und Verantwortungsübernahme erforderlich. Das initiale arbeitsteilige Rollenmodell war eingeschränkt geeignet; die Umstellung auf pflanzenbezogene Gruppen steigerte Motivation, Verantwortungsbewusstsein und Erträge. Faktoren wie Hochbeetart, Bodentiefe und Beleuchtung sind didaktisch relevant und in Unterrichtskonzepte integrierbar.
Die wissenschaftliche Evaluierung zeigt keinen signifikanten Anstieg des Plant Awareness Disparity Indizes insgesamt, jedoch ein zum Teil sehr deutlicher Anstieg des PAD-I bei einzelnen Proband*innen. Auch die Interviews belegen, dass das Projekt bei einigen Teilnehmer*innen das Interesse an Pflanzen und technischen Geräten stark gefördert hat. Ursachen für diesen individuellen Anstieg konnten jedoch nicht festgemacht werden.
Eine grundlegende Änderung der Zielsetzung war nicht nötig und die praxisnahe Verbindung biologischer und technischer Lernprozesse konnte erreicht werden. Der experimentelle Anspruch musste realistisch an schulische Rahmenbedingungen angepasst werden, sodass der Fokus auf Beobachtung, Pflege, Dokumentation und einzelne praktikable Experimente gelegt wurde. Insgesamt zeigt das Projekt das Potenzial robotikgestützter Lernumgebungen.
Öffentlichkeitsarbeit
Das Projekt wird über lokale Zeitungen als auch über die Homepage vorgestellt; vom Projektpartner erhobene und evaluierte Daten werden auf Tagungen und Konferenzen präsentiert. Der zu entwickelnde Leitfaden wird zukünftig über die Schulseite als pdf Datei Interessierten zugeschickt. Dieser wird neben organisatorischen Punkten einem Kostenüberblick über die wesentlichen Punkte, die vor Anschaffung eines FarmBots beachtet und geklärt oder evtl. sichergestellt werden sollten, enthalten und eine langfristige Nutzung gewährleisten. Der pädagogisch-didaktische Part gibt einen Einblick in die mögliche Integration eines FarmBots in den Biologieunterricht an einem Gymnasium sowohl inhaltlicher als auch sozialer Art. Die Einschränkungen eines Gymnasiums und damit mögliche Potentiale anderer Schulformen werden ebenfalls diskutiert. Somit soll anderen Schulen und Schulformenformen eine möglichst genaue Einschätzung darüber ermöglicht werden, einen FarmBot anschaffen, in Betrieb zu nehmen und über lange Jahre nutzen zu können.
Projekthomepage der Waldschule Hagen-BeverstedtFazit
Der FarmBot wurde erfolgreich aufgebaut, in Betrieb genommen und optimiert. Für einen zuverlässigen Betrieb sind exakte Montage, stabile Infrastruktur, Beleuchtung und Schutz vor Witterung notwendig. Mechanische und technische Anpassungen erhöhten die Stabilität, insbesondere während Ferienzeiten. Eine kontinuierliche Betreuung über eine schulische AG erwies sich als tragfähig, externe Dienstleister sind weniger geeignet. Perspektivisch kann eine stärkere Anbindung an den Informatikunterricht sinnvoll sein.
Didaktisch zeigte sich, dass pflanzenbezogene Gruppen motivierender und effektiver sind als arbeitsteilige Rollen. Schüler*innen sollen künftig Pflanzenprojekte vollständig betreuen, um biologische und technische Lernprozesse enger zu verknüpfen.
Die wissenschaftliche Evaluierung zeigt keinen signifikanten Anstieg des Plant Awareness Disparity Indizes insgesamt, jedoch ein zum Teil sehr deutlicher Anstieg des PAD-I bei einzelnen Proband*innen. Auch die Interviews belegen, dass das Projekt zumindest bei einigen Teilnehmer*innen das Interesse an Pflanzen und technischen Geräten stark gefördert hat.
Zusammenfassend wird das Potenzial des FarmBots für Biologie- und Technikunterricht bestätigt, welcher bei stabiler Infrastruktur, klaren Zuständigkeiten, ausreichend Raum und kontinuierlicher Betreuung einen nachhaltigen, motivierenden Lernort mit Transferpotenzial bietet.