This thesis summarizes our contribution to science and technology education by developing a novel robotic toolkit (EmbedIT). Our aim was to enable students to explore in an easy and fun way interdisciplinary topics such as biologically inspired robotics, embodied artificial intelligence, electronics, computer science, neuroscience, psychology, arts etc. The need for a new toolkit emerged based on our experiences in teaching robotics to students with different backgrounds. The current commercially available robotic kits did not fully meet our needs. Therefore, we proposed a new design approach which includes modularity, compatibility with other toolkits, compliance with industrial standards, distributed control, versatility, and open-source licensing. We emphasized a practical approach closely related to the target audience: the secondary school students. We designed a number of example exercises using EmbedIT which train a variety of skills that young people need for a successful professional life. These exercises were conducted in real class environments with a large number of students. We addressed a number of research questions on the conceptual, technical, and practical level in the context of this thesis. Pedagogues, engineers as well as teachers benefit from the insights gained, the tools developed, and the example exercises designed. This work further contributes to educational robotics research and to the dissemination of biologically inspired robotics and embodied artificial intelligence. We are sharing EmbedIT with members of the open-source community who may customize the platform to their own needs and contribute to exploit the toolkit’s full potential.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein neuartiger Roboterbausatz (EmbedIT) entwickelt, der als Lehrmaterial den Unterricht technischer und wissenschaftlicher Schulfächer unterstützen soll. Das Ziel ist es, mit Hilfe dieses Bausatzes verschiedene interdisziplinäre Gebiete auf spielerische und einfache Art zu entdecken, zum Beispiel biologisch inspirierte Robotik, künstliche Intelligenz, Elektronik, Informatik, Neurowissenschaften, Psychologie, Kunst. Das Bedürfnis, einen neuen Bausatz zu entwickeln, entstand aufgrund unserer Erfahrungen als Lehrkräfte im Robotikunterricht mit Studenten aus verschiedenen Studienrichtungen. Die herkömmlichen, auf dem Markt erhältlichen Roboterbausätze wurden unseren Ansprüchen nicht gerecht. Wir entschieden uns für ein Design, welches die Eigenschaften Modularität, Kompatibilität mit anderen Bausätzen, Einhaltung von Industriestandards, dezentrale Steuerung, Vielseitigkeit und Open-Source-Lizenzierung aufweist. Ein hoher Stellenwert hatte die Praxisbezogenheit und Nähe zum Zielpublikum, den Schülern auf Gymnasialstufe. Wir entwickelten mit dem Bausatz einige Besipielübungen, mit denen Kompetenzen trainiert werden können, die junge Menschen heutzutage im Berufsleben benötigen. Die Übungen wurden im Unterricht an verschiedenen Gymnasien mit einer grossen Zahl von Schülern durchgeführt. In dieser Doktorarbeit befassen wir uns mit Forschungsfragen auf konzeptueller, technischer und praktischer Stufe. Von den Erkenntnissen, dem entwickelten Bausatz und den Beispielübungen profitieren Pädagogen, Ingenieure und Lehrer zugleich. Die Ergebnisse tragen zur Forschungsrichtung «educational robotics» bei und zur Popularisierung von biologisch inspirierter Robotik. Der entwickelte Roboterbausatz EmbedIT wird unter einer Open-Source-Lizenz veröffentlicht, um zu ermöglichen, dass andere die Plattform zu ihren eigenen Zwecken und für ihre eigenen Bedürfnisse anpassen und weiterentwickeln können.