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Fachdidaktische Diskussion von Informatiksystemen und der ... · PDF filebare Verhalten von Informatiksystemen, im Sinne einer Black-Box, und das Wechselspiel von Verhalten und Struktur

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  • Fachdidaktische Diskussion von Informatiksystemen und der Kompetenzentwicklung im Informatikunterricht

    Vom Fachbereich 12 – Elektrotechnik und Informatik

    der Universität Siegen

    zur Erlangung des akademischen Grades

    Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat)

    genehmigte Dissertation

    von

    Diplom-Informatiker Peer Stechert

    1. Gutachterin: Prof. Dr. Sigrid Schubert 2. Gutachter: Prof. Dr. Peter Hubwieser

    Tag der mündlichen Prüfung: 04. Juni 2009

  • gedruckt auf alterungsbeständigem holz- und säurefreiem Papier

  • Kurzfassung

    In der vorliegenden Arbeit wird ein Unterrichtsmodell zur Kompetenzentwicklung mit Informa- tiksystemen für die Sekundarstufe II vorgestellt. Der Bedarf wird u. a. damit begründet, dass Informatiksysteme zu Beginn des 21. Jahrhunderts allgegenwärtig sind (Kapitel 1). Für Kom- petenzentwicklung mit Informatiksystemen sind diese in ihrer Einheit aus Hardware, Software und Vernetzung anhand ihres nach außen sichtbaren Verhaltens, der inneren Struktur und Im- plementierungsaspekten zu analysieren. Ausgehend vom Kompetenzbegriff (Kapitel 2) und dem Informatiksystembegriff (Kapitel 3) erfolgt eine Analyse des fachdidaktischen Forschungsstandes zur Kompetenzentwicklung mit Informatiksystemen. Die Ergebnisse lassen sich in die Bereiche (1) Bildungsziele, (2) Unterrichtsinhalte, (3) Lehr-Lernmethodik und (4) Lehr-Lernmedien auf- teilen (Kapitel 4).

    In Kapitel 5 wird die Unterrichtsmodellentwicklung beschrieben. Den Zugang zu Informatik- systemen bildet in der vorliegenden Dissertationsschrift das nach außen sichtbare Verhalten. Es erfolgt eine Fokussierung auf vernetzte fundamentale Ideen der Informatik und Struktur- modelle von Informatiksystemen als Unterrichtsinhalte. Es wird begründet, dass ausgewählte objektorientierte Entwurfsmuster vernetzte fundamentale Ideen repräsentieren. In Abschnitt 5.4 werden dementsprechend Entwurfsmuster als Wissensrepräsentation für vernetzte fundamentale Ideen klassifiziert. Das systematische Erkunden des Verhaltens von Informatiksystemen wird im Informatikunterricht bisher kaum thematisiert. Es werden Schülertätigkeiten in Anlehnung an Unterrichtsexperimente angegeben, die Schüler unterstützen, Informatiksysteme bewusst und gezielt anzuwenden (Abschnitt 5.5). Bei dieser Lehr-Lernmethodik werden das nach außen sicht- bare Verhalten von Informatiksystemen, im Sinne einer Black-Box, und das Wechselspiel von Verhalten und Struktur bei vorliegender Implementierung des Systems als White-Box analy- siert. Die Adressierung schrittweise höherer kognitiver Niveaustufen wird in die Entwicklung einbezogen. Unterstützend wird für das Unterrichtsmodell lernförderliche Software gestaltet, die vernetzte fundamentale Ideen in Entwurfsmustern und das Experimentieren aufgreift (Abschnitt 5.6). Schwerpunkte bilden im Unterrichtsmodell zwei Arten von lernförderlicher Software: (1) Die Lernsoftware Pattern Park wurde von einer studentischen Projektgruppe entwickelt. In ihr kön- nen in Entwurfsmustern enthaltene fundamentale Ideen der Informatik über ihren Lebensweltbe- zug im Szenario eines Freizeitparks analysiert werden. (2) Als weitere Art Lernsoftware werden kleine Programme eingesetzt, deren innere Struktur durch ausgewählte Entwurfsmuster gebildet und deren Verhalten direkt durch die darin enthaltenen fundamentalen Ideen bestimmt wird. Diese Programme können durch die Experimente im Unterricht systematisch untersucht werden.

    Mit dem Ziel, die normative Perspektive um Rückkopplung mit der Praxis zu ergänzen, werden zwei Erprobungen im Informatikunterricht vorgenommen. Diese liefern Erkenntnisse zur Mach- barkeit des Unterrichtsmodells und dessen Akzeptanz durch die Schüler (Kapitel 6 und 8). Ex- emplarisch umgesetzt werden die Themen Zugriffskontrolle mit dem Proxymuster, Iteration mit dem Iteratormuster und Systemzustände mit dem Zustandsmuster. Der intensive Austausch mit Informatiklehrpersonen in der Kooperationsschule über Informatiksysteme und Kompetenzent- wicklung sowie die Durchführung von zwei Lehrerfortbildungen ergänzen die Beobachtungen im unterrichtlichen Geschehen. Die erste Unterrichtserprobung resultiert in einer Weiterentwicklung des Unterrichtsmodells zu Informatiksystemen und Kompetenzentwicklung (Kapitel 7). Darin er- folgt eine Fokussierung auf das nach außen sichtbare Verhalten von Informatiksystemen und eine Verfeinerung der Perspektiven auf innere Struktur und ausgewählte Implementierungsaspekte. Anschließend wird die zweite Unterrichtserprobung durchgeführt und evaluiert (Kapitel 8). Am Schluss der Forschungsarbeit steht ein in empirischen Phasen erprobtes Unterrichtsmodell.

  • Abstract

    In the 21st century, informatics systems are ubiquitous. Therefore, the author presents an edu- cational model for competencies with respect to informatics systems (Chapter 1). To achieve such competencies at upper secondary level, observable behaviour, internal structure and imple- mentation aspects of informatics systems have to be analysed by students. Based on a definition of the terms competency (Chapter 2) and informatics system (Chapter 3), the state of the art in Didactics of Informatics is investigated. In the national and international scientific work, (1) edu- cational objectives, (2) themes and subject matters, (3) teaching and learning methods, as well as (4) educational means and media are identified (Chapter 4).

    In Chapter 5 the development of the educational model is described. The approach to com- petencies with respect to informatics systems concentrates on the observable behaviour of the systems. We focus on networked fundamental ideas of informatics as a quality factor and structu- ral models of informatics systems. Selected object-oriented design patterns represent networked fundamental ideas. In Section 5.4 design patterns as knowledge representations of fundamental ideas are classified. Systematic exploration of informatics systems is uncommon in informatics education at upper secondary level. Therefore, students’ activities are developed according to educational experiments to enable students to use systems consciously (Section 5.5). Systematic exploration puts students in a position to analyse the observable behaviour as a black box. Gi- ven the source code and documentation of a system, experimenting with such a system relates behaviour to its internal structure. Succeeding cognitive processes are also considered in this approach. To support learning, software was developed, which emphasises fundamental ideas in design patterns and enables experimenting (Section 5.6). There are two kinds of learning soft- ware: (1) The learning software Pattern Park was developed by a student project group. In the software fundamental ideas within design patterns can be understood through a real-life analogy in the context of a theme park. (2) As a second kind of learning software we use small programs, whose internal structure is built by selected design patterns. Their observable behaviour depends on networked fundamental ideas of informatics. These programs can be analysed systematically by students.

    Aiming at complementing the normative perspective with concrete learning processes, two class- room practice projects were conducted. These offered results with respect to feasibility of the educational model and acceptance by the students (Chapter 6 and 8). Exemplarily, access con- trol by Proxy design pattern, iteration by Iterator design pattern, and states of systems by State design pattern were chosen. Cooperation with teachers and conduction of teacher training workshops complement observations within the classroom projects. The first classroom project resulted in a refinement of theory to foster competencies with respect to informatics systems (Chapter 7). In particular, perspectives on informatics systems were elaborated. Afterwards, a second classroom project was conducted and evaluated (Chapter 8). In conclusion of the research project, there is an empirically tested educational model to foster competencies with respect to informatics systems.

  • Vorwort

    Die vorliegende Dissertationsschrift entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl ”Didaktik der Informatik und E-Learning” an der Universität Siegen. Ich möchte mich bei Frau Prof. Dr. Sigrid Schubert bedanken für die intensive Betreuung meines Promotionsvorhabens und kontinuierliche Förderung meiner wissenschaftlichen Arbeit. Herrn Prof. Dr. Peter Hubwieser danke ich für die Übernahme des Koreferats sowie für die zahlreichen guten Kommentare und Anregungen, die zur Präzisierung meiner Vorstellungen bei- getragen haben. Des Weiteren bedanke ich mich bei meinen Kollegen Christian Eibl, Stefan Freischlad und Chris- tian Kollee für die hilfreichen Diskussionen und kritischen Nachfragen rund um das Unterrichts- modell zur Kompetenzentwicklung mit Informatiksystemen. Den Projektpartnern im DFG-Projekt ”Entwicklung von qualitativen und quantitativen Mess- verfahren zu Lehr-Lern-Prozessen für Modellierung und Systemverständnis in der Informatik” von der Universität Paderborn möchte ich danken für die gewinnbringenden Diskussionen zur Entwicklung eines Kompetenzmodells. Namentlich genannt seien Prof. Dr. Johannes Magen- heim, Wolfgang Nelles, Thomas Rhode und Prof. Dr. Niclas Schaper. Den Informatiklehrern Herrn Werner Eling, Frau Milena Ganea und Herrn Hartmud Koch danke ich für die intensiven Diskussionen zur Kompetenzentwicklung mit Informatiksystemen sowie für die Möglichkeit, das Unterrichtsmodell in ihren Informatikkursen zu erproben. Den Schülerinnen und Schüler

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