Prof. Dr. Johanna Wanka Prof. Dr. Alexander Kurz Prof. Dr. Stefan Wrobel Dr. Wieland Holfelder

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2 Prof. Dr. Johanna Wanka, Bundesministerin für Bildung und Forschung, Schirmherrin des Projekts»Open Roberta«Prof. Dr. Alexander Kurz, Fraunhofer-Vorstand für Personal, Recht und Verwertung Prof. Dr. Stefan Wrobel, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS Dr. Wieland Holfelder, Engineering Director Google Germany Mit der Weiterentwicklung unserer Wirtschaft hin zur»industrie 4.0«steigt der Bedarf an hochqualifizierten Fachkräften mit Querschnitts-Kompetenzen aus Ingenieurwesen und Informatik. Um junge Menschen von der Kita bis zur Hochschule für Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik zu interessieren, unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eine Vielzahl von Projekten und Initiativen. Auch die Fraunhofer-Gesellschaft ist seit vielen Jahren bei der Nachwuchsförderung engagiert. Dazu gehört auch das Projekt»Roberta Lernen mit Robotern«, das 2002 durch eine Förderung des BMBF auf den Weg gebracht wurde und das nun zu»open Roberta«, einer offenen Programmierplattform für Kinder, Jugendliche und Lehrkräfte, weiterentwickelt wurde.»roberta«interessiert und motiviert Mädchen und Jungen sehr erfolgreich für Informatik, Technik und Naturwissenschaften. Pro Jahr werden damit Schülerinnen und Schüler erreicht. Zu diesem Erfolg gratuliere ich der Fraunhofer-Gesellschaft und dem federführenden Fraunhofer IAIS herzlich. Um in der qualifizierten Nachwuchsgewinnung langfristig erfolgreich zu sein, sieht Fraunhofer den Bedarf, sich frühzeitig in der MINT-Förderung zu engagieren. Unsere MINT-Programme setzen daher bereits in Kindertagesstätten mit an und begleiten die Kinder und Jugendlichen entlang der kompletten Bildungskette bis ins Studium. Fraunhofer legt großen Wert auf die berufliche Chancengleichheit und fördert daher gezielt schon über die Nachwuchsprogramme das MINT-Interesse der Mädchen und jungen Frauen. Nur über dieses Engagement werden wir langfristig mehr Absolventinnen in den MINT-Studienfächern erhalten und damit wiederum den Anteil an Wissenschaftlerinnen in der Forschung steigern können.»roberta«ist ein gutes Beispiel, wie Kinder und Jugendliche verschiedenster Altersgruppen mit Technik begeistert werden können. Die Weiterentwicklung zu»open Roberta«ist ein konsequenter weiterer Schritt, zu dem ich dem Fraunhofer IAIS viel Erfolg und den Kindern, Jugendlichen und Lehrkräften viel Neugierde und Begeisterung wünsche. Am Fraunhofer IAIS ist uns die technisch-naturwissenschaftliche Förderung von Schülerinnen und Schülern seit vielen Jahren ein wichtiges Anliegen. Das Vermitteln grundlegender Kenntnisse in diesen Bereichen ist nicht nur essenziell zur Sicherung des Fachkräftenachwuchses und damit des Wirtschaftsstandorts Deutschland, sondern auch, weil das Leben in unserer zunehmend digitalisierten Welt ein hohes Maß an Technik- und Medienkompetenz erfordert. Um Kindern und Jugendlichen schon im Schulalter den Zugang zu Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT) zu erleichtern, haben wir vor mehr als zehn Jahren die Initiative»Roberta Lernen mit Robotern«ins Leben gerufen. Mit»Open Roberta«erweitern wir das Roberta-Konzept um spannende technologische Neuerungen und vereinfachen gleichzeitig die Handhabung im schulischen und außerschulischen Alltag. Allen Roberta Schülerinnen, -Schülern und -Lehrkräften wünsche ich viel Spaß beim Programmieren mit»open-roberta«! Code zu verstehen heißt, die Welt von heute zu verstehen. Die digitale Revolution hat nicht nur den Arbeitsmarkt verändert, auch in Alltag und Freizeit begegnen uns Technologien und Algorithmen an vielen Stellen mal offensichtlich, mal eher verdeckt. Junge Menschen bewegen sich selbstverständlich in dieser Welt, wachsen in ihr und mit ihr auf. Sie dabei zu begleiten und sie im sicheren und kompetenten Umgang mit digitalen Medien zu schulen, ist eine der wesentlichen Herausforderungen zeitgemäßer schulischer und außerschulischer Bildung. Google setzt sich seit vielen Jahren und mit vielen Initiativen für die Förderung von Informatik in Bildung und Ausbildung sowie von Open Source Software ein. Wir freuen uns sehr, unser Engagement für beide Ziele mit»open Roberta«auf eine noch breitere Basis zu stellen. Ich wünsche dem Fraunhofer-Institut IAIS und den Roberta-Lehrern viel Erfolg mit der Initiative und hoffe, dass es uns gemeinsam gelingt, noch mehr Mädchen und Jungen für Robotik, Softwareentwicklung und Informatik zu begeistern. Prof. Dr. Johanna Wanka Prof. Dr. Alexander Kurz Prof. Dr. Stefan Wrobel Dr. Wieland Holfelder

3 Roberta Lernen mit Robotern Eine Initiative des Fraunhofer IAIS Open Roberta Spielerisch Programmieren lernen Mit der Initiative»Roberta Lernen mit Robotern«hat das Fraunhofer IAIS ein Bildungsprogramm geschaffen, das schon seit über zehn Jahren Kinder und Jugendliche bereits im Schulalter für Naturwissenschaften und Technik begeistert.»roberta«nutzt die Faszination, die Roboter auf Kinder und Jugendliche ausüben, um ihnen einen spielerischen Zugang zu naturwissenschaftlichen und technischen Fragestellungen zu bieten. Dabei bauen und gestalten die Schülerinnen und Schüler ihre Roboter selbst, so dass die eigenen Fähigkeiten unmittelbar greif- und erlebbar werden. Das erhöht nicht nur signifikant die Lernbereitschaft, sondern fördert auch ein tiefgreifendes Verständnis der Aufgabenstellungen und Lösungsansätze: Formeln nehmen hier Gestalt an und Programme werden lebendig! Eine gendergerechte Kursgestaltung hilft dabei, Barrieren abzubauen und insbesondere den weiblichen Teilnehmern Perspektiven für eine Karriere in Technik- und IT-Berufen zu eröffnen. Typische Rollenvorstellungen und Erwartungen machen es ihnen oft schwer, sich mit den eigenen naturwissenschaftlichen Begabungen zu identifizieren. In Roberta-Kursen wird das Selbstvertrauen in die eigenen Fähigkeiten gestärkt und die Motivation, sich mit MINT-Themen zu beschäftigen, nachhaltig gefördert. Roberta ein Erfolgskonzept»Roberta«wurde 2002 mit Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) ins Leben gerufen und hat sich seither erfolgreich entwickelt. Jährlich erreichen rund 1000 zertifizierte Roberta-Teacher in ihren Kursen mehr als Schülerinnen und Schüler. Daneben sind ein flächendeckendes Netzwerk mit deutschlandweit 24 RobertaRegio Zentren sowie ein breites Angebot an Lehrund Lernmaterialien entstanden. Kern des Projekts»Open Roberta«ist die frei verfügbare, cloudbasierte grafische Programmierumgebung»Open Roberta Lab«, die das Programmierenlernen leicht macht von den ersten Schritten bis hin zur Programmierung intelligenter Roboter mit vielerlei Sensoren und Fähigkeiten. Da sich die Plattform über die meisten gängigen Internetbrowser nutzen lässt, werden weder bestimmte Rechnerkonfigurationen noch Software- oder Sicherheits-Updates benötigt. Darüber hinaus können sich Roberta Teacher zukünftig mit Hilfe von Tutorials selbstständig in die Programmierung einarbeiten. Um Kindern und Jugendlichen den intuitiven Zugang zur Programmierung zu ermöglichen, ist die Programmieroberfläche des»open Roberta Lab«einfach und übersichtlich gestaltet ohne dass dies auf Kosten der Funktionalität geschieht. So entstehen im Handumdrehen auch anspruchsvolle Programme. Zusätzlich speichert die Software den Projektfortschritt»in der Cloud«. Schülerinnen und Schüler können ihre Projekte somit jederzeit von zu Hause aus weiterführen. Das»Open Roberta Lab«wird open source entwickelt. So haben etwa Studierende aus den MINT-Disziplinen sowie begeisterte Programmiererinnen und Programmierer die Möglichkeit, die Plattform aktiv mitzugestalten.

4 Mitmachen Unsere Digitale Gesellschaft mitgestalten Open Roberta Lab Roboter programmieren in der Cloud»Open Roberta«fügt sich nahtlos in das didaktisch und pädagogisch bewährte Gesamtkonzept von»roberta«ein und führt die Initiative einen entscheidenden Schritt weiter. Die Umsetzung der neuen Programmierumgebung»Open Roberta Lab«als Cloud-Software bietet den verschiedenen Zielgruppen von Roberta einzigartige Vorteile: I ISchülerinnen und Schüler: Das»Open Roberta Lab«lässt sich ohne Installationsaufwand auf jedem internetfähigen Gerät nutzen egal ob PC, Mac, Linux oder Tablet. Schülerinnen und Schüler können also auch außerhalb des Unterrichts an ihren Projekten weiterarbeiten. Darüber hinaus haben sie in Zukunft die Möglichkeit, ihre Programme gemeinsam und interaktiv wie in einem sozialen Netzwerk zu entwickeln und sich über ihre Erfahrungen beim Programmieren auszutauschen. I IRoberta-Teacher: Auch Lehrkräfte profitieren von der unkomplizierten Handhabung des»open Roberta Lab«. So spielt es keine Rolle mehr, was für Geräte an den Schulen vorhanden sind, sofern sie über einen gängigen Internetbrowser verfügen. Zudem entfallen zeitaufwändige und sicherheitskritische Software- und Treiber-Updates. I IOpen Source Community: Alle Tools zur Weiterentwicklung des Projekts durch interessierte Programmiererinnen und Programmierer werden über Fraunhofer-Server bereitgestellt. Um eine reibungslose Zusammenarbeit zu gewährleisten, stehen eine Versionsverwaltung und ein Issue-Tracker zur Verfügung. Der Projektfortschritt wird in einem Wiki dokumentiert. IRobotik-Community: I Das»Open Roberta Lab«ist kompatibel zu gängigen Programmiersprachen wie C++ oder Java und kann zukünftig über LEGO MINDSTORMS hinaus auch auf weitere Roboter-Systeme adaptiert werden.

5 NEPO Einfach grafisch programmieren! Open Source Der Nachwuchs von heute entwickelt für den Nachwuchs von morgen! Für»Open Roberta«wurde am Fraunhofer IAIS eine eigene Programmiersprache mit dem Namen NEPO entwickelt. Dabei haben sich die Fraunhofer-Experten bewusst für eine visuelle Darstellung entschieden, damit auch unerfahrene Programmiererinnen und Programmierer per»drag and Drop«schnell ihre ersten Programme zusammenstellen können. Ein großer Vorteil von grafischen Programmiersprachen ist, dass typische Syntaxfehler, die das Erlernen einer Programmiersprache oft sehr mühsam machen, gar nicht erst entstehen wie etwa Fehler bei der Schreibweise von Programmierbefehlen oder Zeichenfehler. Mit NEPO können sich Programmiererinnen und Programmierer ganz auf den logischen Aufbau ihres Programms konzentrieren und werden daher frühzeitig mit Erfolgserlebnissen belohnt. Gleichzeitig steht NEPO anderen auf dem Gebiet der Robotik etablierten Programmiersprachen wie»c«oder»java«in nichts nach und ermöglicht auch die Entwicklung komplexer Programme. NEPO ist fest eingebunden in das»open Roberta Lab«. Mit seiner übersichtlichen Menüstruktur leitet die Programmierumgebung Benutzerinnen und Benutzer Schritt für Schritt von der Erstellung des ersten Programms bis hin zum Übertragen des fertigen Programmcodes auf den Roboter. Das Programmieren erfolgt mit Hilfe von grafischen Bausteinen, die zu einer Sequenz von Programmblöcken zusammengesetzt werden. Damit der Roboter das Programm auch verstehen und aus führen kann, werden die NEPO-Blöcke anschließend in Maschinencode umgewandelt und auf den Roboter übertragen. Da hierbei verschiedene Programmiersprachen unterstützt werden, können neben dem LEGO MINDSTOMRS-System auch weitere Robotersysteme eingebunden werden. Die Programmierplattform»Open Roberta Lab«wird open source entwickelt der Name ist also Programm! Sowohl die Software als auch die Open-Source-Entwicklertools stehen über Fraunhofer-Server bereit. Zunächst bezieht das Entwicklerteam des Fraunhofer IAIS Lehrkräfte, IT- und Bildungsexperten aus dem Roberta-Netzwerk sowie Hochschulen und ihre Studierenden aktiv in die Entwicklungsarbeiten ein. Im zweiten Schritt wird die Open Source Community für alle interessierten Programmiererinnen und Programmierer geöffnet, die sich in verschiedenen Rollen an der Entwicklung beteiligen können: IBesucher: I Hierzu zählen alle Personen, die sich für»open Roberta«interessieren und gerne einen Blick auf das Wiki oder die Projektfortschritte werfen möchten, welche regelmäßig online bekannt gemacht werden. I IContributor: Hierbei handelt es sich um User, die»open Roberta«aktiv mitgestalten, indem sie eigene Beiträge oder Kommentare einbringen und sich über Entwicklungsdetails informieren. ICommitter: I Die Rolle des Committers stellt die aktivste Form der Beteiligung dar. Als Committer können Interessierte aktiv an der Softwareentwicklung von»open Roberta«mitwirken und sie zum Beispiel um mehr Funktionalitäten oder die Programmierung anderer Robotersysteme erweitern. Indem vor allem auch weibliche Studierende zur Mitwirkung aufgerufen werden, erhält das Projekt eine weitere wichtige Dimension: Die jungen Frauen helfen nicht nur dabei,»open Roberta«aus dem Blickwinkel weiblicher Anwender weiterzuentwickeln, sie können gleichzeitig als»role Models«insbesondere für Mädchen und junge Frauen fungieren und diese dazu motivieren, eine naturwissenschaftlich technische Ausbildung anzustreben.

6 Made by Fraunhofer Partner Vom ersten Byte bis zum letzten Pixel Gemeinsam für mehr IT-Nachwuchs Sämtliche Komponenten, die bisher im Rahmen von»open Roberta«entstanden sind, basieren auf Open-Source-Technologien oder wurden am Fraunhofer IAIS entwickelt vom ersten Byte bis zum letzten Pixel. Nur auf diese Weise konnte sichergestellt werden, dass das Grundgerüst der Plattform den hohen Fraunhofer-Standards im Hinblick auf Qualität, Datensicherheit und Transparenz entspricht. Darüber hinaus floss das technische und didaktische Erfahrungswissen aus über zehn Jahren Arbeit mit dem Roberta-Konzept in die grundlegende Konzeption ein. Eine Entwicklung von Das Roberta-Team des Fraunhofer IAIS entwickelt»open Roberta«mit Unterstützung von Google. Die Kooperation mit dem IT-Konzern begann bereits im Jahr 2011, als Google die Erweiterung des Roberta-Konzepts um die grafische Programmierung von Smartphones mit Hilfe des MIT-App Inventors förderte ging die Zusammenarbeit einen Schritt weiter, indem sich Google-Mitarbeiterinnen und -Mitarbeiter zu zertifizierten Roberta-Teachern ausbilden ließen und seitdem Jugendliche in eigenen Roberta-Kursen für technische Themen begeistern. Förderpartner Von großer Relevanz bei der Entwicklung des»open Roberta Lab«war da der intuitive Zugang zur Programmieroberfläche im Vordergrund stand die visuelle Aufbereitung der Plattform. Aus diesem Grund arbeiteten die Programmierer stets in enger Abstimmung mit den Medien- und Design-Spezialisten des Fraunhofer IAIS. Software- und Oberflächendesign beeinflussten sich dabei wechselseitig. Bereits nach einem knappen Jahr konnte die erste Beta-Version der Programmieroberfläche öffentlich präsentiert und gleichzeitig im Internet für jeden zugänglich gemacht werden. Die weitere Entwicklung erfolgt open source das heißt, neben den Experten des Fraunhofer IAIS beteiligen sich verschiedene Interessengruppen wie Studierende, die Robotik Community oder begeisterte Programmiererinnen und Programmierer. Der gesamte Quellcode ist dabei jederzeit öffentlich zugänglich. Auf dieser Basis haben im Jahr 2013 Entwickler von Google und Fraunhofer IAIS gemeinsam überlegt, wie die technischen Hürden für Schülerinnen, Schüler und Lehrkräfte, die in Roberta Kursen bei der Nutzung der Standard-Software auftraten, minimiert werden können. Eine Lösung wurde schnell gefunden: Die Software musste in die»cloud«. Zugleich waren sich alle Beteiligten von Beginn an einig, dass die Entwicklung der Plattform open source, also mit der maximal möglichen Transparenz erfolgen soll. Im Jahr 2014 begannen schließlich am Fraunhofer IAIS die Arbeiten an»open Roberta«. Für die Weiterentwicklung der Roberta Initiative hat Google eine Million Euro bereitgestellt. Im Kontext von»open Roberta«führt das Fraunhofer IAIS auch seine langjährige Zusammenarbeit mit LEGO Education fort. Seit über zehn Jahren arbeitet die Roberta-Initiative mit den Roboterbausätzen von LEGO Education. Die Open-Roberta-Software ist im ersten Schritt auf die Programmierung von LEGO MINDSTORMS EV3-Robotern ausgelegt. Zum Start von»open Roberta«und zur weiteren Verbreitung der Initiative in den Bundesländern stellt LEGO Education 160 Roberta-Baukästen zur Verfügung. Partner

7 Eine Initiative des Fraunhofer-Instituts für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS Schloss Birlinghoven Sankt Augustin Ansprechpartner Thorsten Leimbach Telefon +49 (0) Beate Jost Telefon +49 (0)