__TITLE SLIDES

1. __TITLE SLIDES

2. The Cool Science Institute An Initiative to Raise Interest in Science, Engineering, and Technology

3. The Cool Science Institute Eine Initiative zur Förderung des Interesses Jugendlicher an Wissenschaft und Technik

4. Educational Robotics From Robot Building Labs to RoboCup Junior

5. Educational Robotics Towards Robot Building Labs in Schools

6. Educational Robotics Motivation and Need for The Cool Science Institute

7. Educational Robotics Robotik-Aktivitäten an Schulen

9. __CONTENT SLIDES

10. Introduction Motivation Robot Building Labs The Cool Science Institute The RoboCup Initiative <coffee> Survey of Technology Lego Mindstorms Tetrixx <sandwich> Robot Programming Videos Minerva RoboCup-99 Lab Time <lunch> RBL Course Concepts Mindstorms Course Tetrixx Compact Tetrixx Advanced Organization Finance Equipment Scheduling RoboCup Junior Public Relations <coffee> Wrap-Up Session Survey of Teacher Course

11. Plan of the Talk • Motivate the problem • Analyse current situation in education • Survey landmark projects • RoboCup • Robot Building Laboratories • RoboCup Jr. • NUGI • KIPR • Present The Cool Science Institute • Project a new educational path • Conclude

12. Contents Motivation Robot Building Labs Selling Science TCSI TCSI Courses TCSI Projects TCSI Statistics RoboCup RoboCup Junior Conclusions Plan of the Talk

14. __MOTIVATION SLIDES

15. TIMSS Study • Results of TIMSS/III* study (11/2000): • „German high school students cannot compete with high school graduates from Germany's most important neighbors. They do not even achieve ... average performance on an international level.“ • „Deficits are most evident ... in the area of competence conceptual understanding .. of scientific methods.“ • „Significant weaknesses could be identified ... in tasks requiring the self-initiated application of knowledge learned, the transfer of problem solving knowledge to new problems and contexts, or the flexible restructuring of problem constellations. * www.mpib-berlin.mpg.de/TIMSS-Germany/

16. TIMSS • Ergebnisse der Studie TIMSS/III* (11/2000): • „Mit Schülern aus wichtigen Nachbarländern können sich deutsche Abiturienten nicht messen. Sie erreichen ... nicht den internationalen Mittelwert.“ • „Defizite liegen ... im Bereich des konzeptuellen Verständnisses ... naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen.“ • „Schwächen werden ... bei Aufgaben sichtbar, die das selbständige Anwenden von Gelerntem, die Übertragung in neue Kontexte oder ein flexibles Umstrukturieren von Problemkonstellationen erfordern. * www.mpib-berlin.mpg.de/TIMSS-Germany/

17. Motivation • Shortage of students in engineering and science. • NEED TO ACT! • Hooking schools to the Internet is NOT enough. • WHAT NEEDS TO BE DONE? • Increase interest in science and technology. • NEED NEW IDEAS! • NEED TO ADDRESS MORE STUDENTS • NEED TO ADDRESS MORE GIRLS • Edutainment Robotics • Tamagotchi, Furby, Mindstorms, Aibo • Instrumentalize fascinating science for education!

18. Motivation • Market for engineers booms. • Shortage of students in engineering and science. • NEED TO ACT! • Hooking schools to the Internet is NOT enough. • WHAT NEEDS TO BE DONE? • Increase interest in science and technology. • NEED NEW IDEAS! • NEED TO ADDRESS MORE STUDENTS • NEED TO ADDRESS MORE GIRLS

19. Motivation • Market for engineers booms. • Shortage of students in engineering and science. • NEED TO ACT! • Hooking schools to the Internet is NOT enough. • WHAT NEEDS TO BE DONE? • Increase interest in science and technology. • NEED NEW IDEAS! • Educational Robotics! • Robot Building Laboratories! (RBLs)

20. Fighting Technological Neglect • Market for engineers booms. • Shortage of students in engineering and science. • NEED TO ACT! • Hooking schools to the Internet is NOT enough. • WHAT NEEDS TO BE DONE? • Increase interest in science and technology. • NEED NEW IDEAS! • Robot Building Laboratories! (RBLs)

21. Motivation • Jammern allerorten! • Mangel an Ingenieuren und Naturwissenschaftlern • Wir müssen also etwas tun! • Unis versuchen gegenzusteuern • Begrenzte Erfolge bisheriger Aktionen • Was also ist zu tun? • Generelle Stärkung des Interesses an Technik • Eigeninitiative der Schüler anregen • Spass als Motivationsfaktor • Wir brauchen neue Ideen!

22. Ausgangslage • Klagelieder der Wirtschaft und Politik • Wettbewerbsfähigkeit massiv bedroht • Ursachen • Einbruch am Arbeitsmarkt Mitte der 90er Jahre • Stark nachlassende Erstsemesterzahlen • Jetzt Mangel an Fachkräften in praktisch allen Fächern • Informatiker, Elektrotechniker • Maschinen- und Anlagenbauer, KFZ-Ingenieure • Materialwissenschaftler und Verfahrensingenieure • "Schweinezyklus" am Arbeitsmarkt für Ingenieure • Mittelfristig keine Besserung in Sicht • Wir müssen also etwas tun!

23. Reaktionen • Schüler müssen an den Computer • Bund: Schulen ans Netz, Initiative D21 • BW: Online-Forum Medienpädagogik • BY: Bildungsoffensive Bayern, Offene Schule 2001 • Alles gut, richtig und notwendig • Aber keine entscheidende Änderung der Lage • Auswirkung auf Studienentscheidung sehr fraglich • Eignung dieser "motivierten" Studenten oft problematisch • Erhöht Konkurrenzkampf der Fächer um wenige technisch interessierten und begabten Studenten • Besser: Die Zahl der technisch Interessierten erhöhen! • Was also ist zu tun?

24. Innovative Ideenin der schulischen Bildung • Positives Image von Naturwissenschaften und Technik • Gute Karrierechancen und Verdienstmöglichkeiten • Hoher Zufriedenheitsfaktor • Freude und Spaß am Job • Bisherige Initiativen sind unzureichend • Einmalige Info-Veranstaltungen, Schnupperkurse • Interesse muss schon viel früher geweckt werden • Stärkung der mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächer • Vereinzelt innovative Ansätze sichtbar • Siehe Reihe Die bessere Schule in Die Zeit, 12-14, 99 • Wir brauchen also (noch mehr) neue Ideen!

25. Analysis • Science and Math in school seem deadly boring! • Equipment and technology often seem half a century old! • Kids never had a bigger choice of leisure activities. • Video games and surfing the Internet make school look like really ancient stuff. • So, why take Math, Physics, Chemistry, ... serious?

26. Roboter erobern das Kinderzimmer • Tamagotchi • Furby • LEGO Mindstorms • 1998 in USA und GB anfangs wochenlange Lieferzeiten • nur drei Motoren und drei Sensoren • ca 450.- DEM • Fischertechnik • Aibo • 1999 in Japan via Internet 2.000 Stück zu je $3.000 in nur 20 Minuten verkauft • jetzt als Produkt für €1.500 erhältlich • Produkte für RoboCup Junior

27. What can be done? • Instrumentalize fascinating science for education! • Robotics is fascinating science! • Some landmark projects: • Robot Building Laboratories • RoboCup • RoboCup Jr. • NUGI: Network University Gymnasium Industry • KIPR: KISS Institute of Practical Robotics

28. Citations • DaimlerChrysler Project Lab.01 auf der EXPO2000: • "Hands out of your pockets! Touch! Make! Do!""In this project we made a completely surprising discovery: The wide-spread opinion that interest in science and technology is different between boys and girls is fairy tale!"John Will, Project Leader Lab.01 • Project "Learning to learn", Geschwister-Scholl-Gymnasium, Lüdenscheid: • "Learning effectiveness can be increased by 90%, if the subject is not just presented in a 'dry' manner, but gets depth by touching and experimenting."

29. Zitate • DaimlerChrysler Projekt Lab.01 auf der EXPO2000: • "Hände aus den Taschen! Anfassen! Machen!""Dabei machten wir eine völlig überraschende Entdeckung: Die Meinung, das technologische Interesse sei bei Jungen und Mädchen unterschiedlich ausgeprägt, ist überholt!"John Will, Projektleiter Lab.01 • Projekt "Lernen lernen", Geschwister-Scholl-Gymnasium, Lüdenscheid: • "Der Lerneffekt lässt sich um 90% steigern, wenn der Stoff nicht nur trocken dargeboten, sondern durch Anfassen und Ausprobieren vertieft wird."

31. __RBL SLIDES

32. Robot Building Laboratories • Students build robots! • Course consists of tutorials, lab work and contests • Teams of 3-5 students • Mechanics built using LEGO Technic or Tetrixx • DC motors, steppers and servos for actuating devices • Microswitches, IR transistors, sonars for sensor devices • Programmable microcontroller boards used as robot "brain" • Tutorial provides just the right level of theory • Lab work stresses practical work • Contests motivate students and evaluate progress • Already substantial experience available

33. Robot Building Laboratories • Schüler bauen Roboter!!! • Kurskonzept aus Tutorien, Laborarbeit und Wettbewerben • Teams mit 3-5 Schülern • Mechanik aus LEGO Technic • Aktorik mit Gleichstrommotoren und Modellbau-Servos • Sensorik mit Tastern, Infrarot, Ultraschall • Programmierbares Microcontrollerboard als "Denkzentrale" • Theorie wird im Tutorium vermittelt • Praxis wird in der Laborarbeit gelernt • Wettbewerbe motivieren und kontrollieren • Bereits sehr gute Erfahrungen vorhanden

34. Key Factors for RBL Success • Balance of tutorial, lab work, contests • Presentation of theory in palatable form • Learning by doing, hands-on experience • Creativity • Experimental work • Lab assistance • Teamwork • Competition and cooperation • Fun, fun, fun: RBLs are fun!

35. Das Rezept für den Erfolg • Balance der Kurskomponenten • Präsentation der Theorie in verdaulicher Form • Praxis durch "learning by doing", "hands-on experience" • Entfaltung der Kreativität • Verknüpfung von Theorie und Praxis im Experiment • Laborbetreuung • Teamwork • Konkurrenz und Kooperation • Fun, fun, fun: RBLs machen riesig Spaß!

36. What Do Students Learn in an RBL? • Science and technology is fun! • Teamwork • Personal organization • Principles and characteristics of • Motors and gearboxes • IR sensors and sonar sensors • ... • Programming • Microcontrollers and embedded systems • IC programming • System architectures for robot control • Learning • System integration • Understanding of large, complex systems • Interaction of components in a complex system

37. Was lernen Schüler in einem RBL? • Wissenschaft und Technik machen Spaß! • im Team zu arbeiten • sich selbst besser zu organisieren • Verständnis der Prinzipien und Eigenschaften von • Motoren und Getrieben, • Infrarotsensoren und Ultraschallsensoren • ... • Programmierung von • Microcontroller und embedded systems • C++/Java • Systemarchitekturen zur Robotersteuerung • Lernende Systeme • Systemintegration • Verständnis großer, komplexer Systeme • Interaktion der Komponenten in einem komplexen System

38. Ergebnisse • weitaus höhere Motivation der Schüler • spielerisches Herantasten an "schwierige" Fächer • Erkenntnis, dass Wissenschaft (M/Ph/CH/B) auch großen Spaß machen kann • deutlich verbesserte schulische Leistungen in allen Fächern!

40. __HISTORY SLIDES

41. The Roots • Seymour Papert, MIT Media Lab • Fred Martin, Randy Sargent: MIT 6.270 • Peter Miller: AAAI-93 • Gerhard Kraetzschmar, Josef Schneeberger: • AAAI-94 • KIFS-94, KIFS-95, KIFS-96 • FORWISS-94, FH Weingarten-95, University of Ulm 98 • Activities with whiz kids and high school students • von Luck, Klemke, Böhm: FH Hamburg • Heinsohn, Loose: FH Brandenburg • Geistert, Hogl, Klarner, Siddiqi: University of Erlangen 99

42. Die Wurzeln • Seymour Papert, MIT Media Lab • Fred Martin, Randy Sargent: MIT 6.270 • Peter Miller: AAAI-93 • Gerhard Kraetzschmar, Josef Schneeberger: • AAAI-94 • KIFS-94, KIFS-95, KIFS-96 • FORWISS-94, FH Weingarten-95, Uni Ulm 98 • Aktivitäten mit Hochbegabten und Schülern • von Luck, Klemke, Böhm: FH Hamburg • Heinsohn, Loose: FH Brandenburg • Geistert, Hogl, Klarner, Siddiqi: Uni Erlangen 99

43. NUGI at University of Ulm • NUGI = Netzwerk Universität, Gymnasien, Industrie • network of university, high schools, and industry • Founders • Gisela Lehnhardt and Dr. Erhard Stupperich • Supporters • University of Ulm • Microbiology und Biotechnology • University Computing Center • Seminar for Pedagogy • BioRegio Ulm (a regional network of biotech companies) • IHK Ulm (an industrial association)

44. NUGI an der Universität Ulm • NUGI = Netzwerk Universität, Gymnasien, Industrie • Initiatoren • Gisela Lehnhardt und Dr. Erhard Stupperich • Unterstützung • Universität Ulm • Mikrobiologie und Biotechnologie • Universitätsrechenzentrum • Seminar für Pädagogik • BioRegio Ulm • IHK Ulm

45. KISS Institute of Practical Robotics (KIPR) • Private, non-profit, community-based organization • Founded in 1993 by Peter Miller • Organizes RBLs in kindergardens, schools, at conferences • all ages of kids • professional development courses • BOTBALL Robotics Tournaments • regional competitions • winners are invited (and sponsored) to participate in final contestduring AAAI conference • Supporters include Peter Miller, Marc Slack, Erann Gat, Jim Hendler, Benjamin Kuipers, Lynn Stein • www.kipr.org

46. KISS Institute of Practical Robotics (KIPR) • 1993 von Peter Miller in den USA gegründet • non-profit organization • Organisiert RBLs in Kindergärten, Schulen, Konferenzen • BOTBALL Contest • regionale Ausscheidungswettbewerbe • Sieger dürfen zum Finale während der AAAI-Konferenz

48. __TCSI SLIDES

49. The Problem • Schools currently cannot offer traditional RBLs • Organizational problems • Courses typically have 8 groups and 30 participants • Duration 5-8 days, 24 hours per day lab time • At least 2 TAs at any time >= 8 TAs! • Technical problems • Acquisition of kits is difficult, time-consuming, and expensive • Import of microcontroller boards from Hongkong and USA • Particular parts very difficult to obtain, esp. in small quantities • Availability of tutorials and other teaching material

50. Das Problem • RBLs derzeit nicht direkt an Schulen durchführbar • Organisatorische Probleme • Kurse bisher mit 8 Gruppen und etwa 30 Teilnehmern • Kursdauer 5-8 Tage rund um die Uhr (24-h Tage!) • Ständig mindestens 2 Laborbetreuer >= 8 Betreuer! • Technische Probleme • Beschaffung der Kits schwierig, zeitaufwendig, teuer • Import der Microcontrollerboards aus Hongkong und USA • Bestimmte Einzelteile schwer erhältlich • Wenig Lehrmaterial