TechnischeInformatik –Kompetenzüberprü- Seminar14 ... · TechnischeInformatik –Kompetenzüberprü-fung Fachkonzepte Didaktische Aspekte Bildungs-dokumente DIDAKTIK DER INFORMATIK

Technische Informatik– Kompetenzüberprü-

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Fachkonzepte DidaktischeAspekte

Bildungs-dokumente

DIDAKTIKDER

INFORMATIK

Informatik,Mensch undGesellschaft

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Objekt-orientierte

Modellierung(OOM)

TechnischeInformatik

(TI)

Der KompetenzbegriffDefinition

Das OperatorkonzeptÜbersicht für Informatik

Diskussion 1: Vergleich mitdem Kompetenzbegriff

Aufgaben am Beispielder TIDieVon-Neumann-Architektur

Fundamentale Ideen

KompetenztestsGenerelle Struktur

Überprüfungsformen ZA

Schriftliche Aufgaben

Nicht-Schriftliche-Aufgaben

Diskussion 2:Methodenevaluation

Musterlösungen

Literatur14-1

Seminar 14Technische Informatik –KompetenzüberprüfungDie Kompetenzen der Schülerinnen P. RummSeminar Didaktik der Informatik vom 12. Januar 2015

Version: 658Stand: 17. Januar 2015, 17:55 UhrZuletzt bearbeitet von: Philipp Rumm

Fachgebiet Didaktik der InformatikBergische Universität Wuppertal


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Fundamentale Ideen






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Literatur14-2

Kompetenzen – Seminar 14

1 Den Kompetenzbegriff als qualitativen Überbau desOperator-Konzeptes kennen

2 Die Operatoren und Anforderungsbereiche aus denzugehörigen Bildungsdokumenten entnehmen, sowie diedahinter liegenden Kompetenzen einordnen und verstehen

3 Konzepte der Technischen Informatik analysieren und als(Prüfungs-)Aufgaben kompetenzorientiert umsetzen

4 Musterlösungen entwickeln und gegebene Aufgaben auf ihreEignung zur Leistungsmessung überprüfen


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Literatur14-3

Gliederung – Seminar 14

1 Der KompetenzbegriffDefinition

2 Das OperatorkonzeptÜbersicht für InformatikDiskussion 1: Vergleich mit dem Kompetenzbegriff

3 Aufgaben am Beispiel der TIDie Von-Neumann-ArchitekturFundamentale Ideen

4 KompetenztestsGenerelle StrukturÜberprüfungsformen ZASchriftliche AufgabenNicht-Schriftliche-AufgabenDiskussion 2: MethodenevaluationMusterlösungen


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Literatur14-4

Frage

Was sind eigentlich Kompetenzen?


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Literatur14-5

Eine lose Begriffssammlung

• Gestaltungskompetenz• Kernkompetenz• Kompetenzkonflikt• Kompetenzorientierung• Kompetenzerwerb• Führungskompetenz• Handlungskompetenz• Führungskompetenz• Problemlösekompetenz• uvm . . .


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Literatur14-6

»Antwort«

Etymologische Herleitung:

• competere (lat.): »zusammentreffen« (Humbert 2006)

Kompetenzen sind:

• »die bei Individuen verfügbaren oder durch sie erlernbarenkognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmteProbleme zu lösen sowie die damit verbundenenmotivationalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften undFähigkeiten, um Problemlösungen in variablen Situationenerfolgreich und verantwortungsvoll zu nutzen« (Zurstrassen2009)


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Literatur14-6

»Antwort«

Etymologische Herleitung:

• competere (lat.): »zusammentreffen« (Humbert 2006)

Kompetenzen sind:

• »die bei Individuen verfügbaren oder durch sie erlernbarenkognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmteProbleme zu lösen sowie die damit verbundenenmotivationalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften undFähigkeiten, um Problemlösungen in variablen Situationenerfolgreich und verantwortungsvoll zu nutzen« (Zurstrassen2009)


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Etwas genauer: Wir identifizieren. . .

Kompetenzen

MotivationaleFähigkeiten

VolitionaleFähigkeiten

SozialeFähigkeiten

KognitiveFähigkeiten


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Kompetenzen



SozialeFähigkeiten



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Erklärungen angelehnt an (Stangle 2014)Motivationale Fähigkeiten

Bereitschaft einer Person, sich intensiv und anhaltend mit einemGegenstand auseinander zu setzen. Motivation kann intrinsichoder extrinsich erfolgen.

Volitionale Fähigkeiten

»Prozess der Willensbildung«: Schülerinnen und Schüler besitzendie Fähigkeit eine »motivierte Absicht« über einen andauerndenZeitraum auch zu beenden.

Soziale Fähigkeiten

Fähigkeit zur Empathie, zur Kollaboration und zur konstruktivenAuseinandersetzung mit Regeln.

Kognitive Fähigkeiten

Führen dazu, dass ein Organismus seine Umwelt verstehen lernt.Diese Prozesse sind beim Mensch vor allem Wahrnehmung,Intelligenz, Sprache, Gedächtnis, Denken, Problemlösen undAufmerksamkeit.


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Literatur14-9

Das Operatorkonzept

Was sind Operatoren?

Operatoren machen Kompetenzen messbar!

Die zuvor genannten Kompetenzen und Fähigkeiten vonSchülerinnen und Schüler sind nicht direkt messbar. Um sie zuerfassen müssen bestimmte Kernbegriffe herausgearbeitet werden,die auf einer Skala abbildbar sind.Das Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW gibt,gegliedert in drei sogenannte Anforderungsbereiche, eine Liste vonOperatoren für das Fach Informatik im Zentralabitur an.Diese sollen nachfolgend vorgestellt werden.

Hinweis: Die mit * gekennzeichneten Operatoren können sowohldem AFB I als auch dem AFB II und die mit ** gekennzeichnetenOperatoren dem AFB II oder dem AFB III zugeordnet werden.(Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW 2007)


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Das Operatorkonzept

Was sind Operatoren?Operatoren machen Kompetenzen messbar!




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Literatur14-9

Das Operatorkonzept

Was sind Operatoren?Operatoren machen Kompetenzen messbar!




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Literatur14-10

Operatoren AFB I

AnforderungsbereichI

Angeben

Beschreiben

Darstellen/Dokumentieren

Einordnen*

Erläutern*

Überführen/Übertragen*


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Operatoren AFB I


Angeben

Beschreiben


Einordnen*

Erläutern*



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Operatoren AFB I


Angeben

Beschreiben


Einordnen*

Erläutern*



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Literatur14-11

Operatoren AFB II

AnforderungsbereichII

Analysieren**

Bestimmen/Ermitteln

Entwerfen/Entwickeln**

Erweitern/Vervollständigen

Herleiten/Ableiten

Implemen-tieren**

Modellieren**

Vergleichen


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Literatur14-11

Operatoren AFB II


Analysieren**

Bestimmen/Ermitteln



Herleiten/Ableiten

Implemen-tieren**

Modellieren**

Vergleichen


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Operatoren AFB II


Analysieren**

Bestimmen/Ermitteln



Herleiten/Ableiten

Implemen-tieren**

Modellieren**

Vergleichen


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Literatur14-12

Operatoren AFB III

AnforderungsbereichIII

Begründen**

Beurteilen

Stellungnehmen


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Operatoren AFB III

AnforderungsbereichIII

Begründen**

Beurteilen

Stellungnehmen


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Literatur14-13

Diskussion

Wie steht es um den Zusammenhang zwischen den vorgestelltenOperatoren und Kompetenzen in Bezug auf

• Abbildbarkeit?• Kongruenz dessen, was getestet werden soll / kann?


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Literatur14-14

Die Von-Neumann-Architektur

Aufgaben am Beispiel der Technischen Informatik


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Literatur14-15

Von-Neumann-Architektur

Als Von-Neumann-Architektur bezeichnet man ein Schema einesspeicherprogrammierbaren Computers.

• Benannt nach dem ungarisch-amerikanischen InformatikerJohn von Neumann

• Teilt das Informatiksystem in die Funktionsgruppen Speicher,Steuerwerk, Rechenwerk, Eingabe und Ausgabe ein

• Anweisungen sowie Variablenwerte liegen gemeinsam imSpeicher

• Der Speicher ist in fortlaufend nummerierte Zellen derselbenGröße eingeteilt

• Sprungbefehle ermöglichen eine Änderung vonBefehlsausführungen, die Befehle liegen inAusführungsreihenfolge im Speicher

• Ein alternativer ist die Harvard-Architektur, bei derProgramm und Daten in getrennten Speichern liegen


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Literatur14-16

Skizze der Von-Neumann-Architektur

Eingabewerk Speicher Ausgabewerk

Rechenwerk

Steuerwerk

CPU

DatenSteuerdaten

Abbildung: Von-Neumann-Modell

Nach (Burkhard u. a. 2007) und (Hoffmann 2010)


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Literatur14-17

Wdh.: Kernlehrplan

Schülerinnen und Schüler am Ende der Sekundarstufe I:• beschreiben und erläutern den strukturellen Aufbau undArbeitsweise eines singulären Rechners mithilfe der»Von-Neumann-Architektur«

Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II:• erläutern die Ausführung eines maschinennahen Programmsund Datenspeicherung auf der »Von-Neumann-Architektur«

(MSW-NW 2013)


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Literatur14-18

Fundamentale Ideen der Informatik

Kriterien für Fundamentale Ideen sind

• VertikalkriteriumIn verschiedenen Bereichen der Informatik vielfältiganwendbar oder erkennbar?

• HorizontalkriteriumVermittelbar auf jedem intellektuellen Niveau?

• ZeitkriteriumIn der historischen Entwicklung der Informatik deutlichwahrnehmbar und bleibt längerfristig relevant?

• SinnkriteriumVerankerung im Alltagsdenken und lebensweltlicheBedeutung?

vgl. (Schwill 1993)


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Literatur14-19

Überprüfung der Von-Neumann-Architektur

Vertikalkriterium⇒ Ja. Findet sich in der Technischen, Praktischen undTheoretischen Informatik, sowie in IMG wieder.

Horizontalkriterium⇒ Ja, das Datenverarbeitungsprinzip kann auch ohne Kenntnissevon Bussystemen und Mikroprozessoren von Kindern oder älterenMenschen erlernt werden.

Zeitkriterium⇒ Ja, fast alle modernen Informatiksysteme beinhalten zumindestteilweise Elemente der Von-Neumann-Architektur.

Sinnkriterium⇒ Die überall verfügbaren Informatiksysteme werden in ihremAufbau erkannt und verstanden.


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Literatur14-19







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Literatur14-19







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Literatur14-20

Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler ermitteln

Kompetenztests


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Literatur14-21

Was gilt es bei Tests zu beachten?

1 Zieltransparenz2 Klare Begriffssemantik ⇒ Operatorkonzept3 Zeitliche Proportionalität des Unterrichtsstoffes beachten. Es

können nicht alle Themen beachtet werden4 Prüfungsformen variieren

vgl. (Humbert 2006)


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Literatur14-22


Form I Analyse und Eingrenzung einer kontextbezoge-nen Problemstellung und Entwicklung eines Mo-dells oder Teilmodells mit erläuternden Begrün-dungen der Entwurfsentscheidungen

FormII

Analyse, Erläuterung und Modifikation einesvorgegebenen informatischen Modells sowie dievergleichende Beurteilung unterschiedlicher Ent-würfe

FormIII

Vollständige oder teilweise Implementation einerbereits modellierten Problemstellung

FormIV

Entwurf und formale Darstellung von Algorith-men zu einer vorgegebenen informatischen Pro-blemstellung

(MSW-NW 2013, S. 40)

Merke: Alle Anforderungsbereiche müssen mit je einer Aufgabe inabsteigender Intensität abgedeckt werden.


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Literatur14-23


FormV

Analyse und Erläuterung von vorgegebenen Al-gorithmen oder Programmausschnitten

FormVI

Interpretation gegebener textueller, grafischeroder formaler Darstellungen informatischer Zu-sammenhänge und deren Überführung in eineandere Darstellungsform

FormVII

Darstellung, Erläuterung und sachgerechte An-wendung von informatischen Begriffen, Verfah-ren und Lösungsstrategien

FormVIII

Analyse und Beurteilung einer Problemlösungoder eines Informatiksystems nach vorgegebe-nen oder eigenen Kriterien

FormIX

Analyse und Bewertung des Einsatzes eines In-formatiksystems in Bezug auf ethische, rechtli-che oder gesellschaftliche Fragestellungen

(MSW-NW 2013, S. 40)


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Schriftliche Kompetenztests

Bei einer schriftlichen Überprüfung lassen sich Aufgaben leicht ausden vorgestellten Operatoren ableiten.

Anforderungsbereich I

• Stellen Sie die Von-Neumann-Architektur graphisch dar• Geben Sie die Elemente der Von-Neumann-Architektur an

Anforderungsbereich II

• Gegeben ist eine unvollständige Darstellung derVon-Neumann-Architektur. Vervollständigen / ErweiternSie die Skizze und ergänzen ebenfalls die Art des verwendetenBussystems.

• Analysieren Sie die Elemente der Von-Neumann-Architektur.Warum kommt es bei dieser Architekturvariante zumVon-Neumann-Flaschenhals?


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Literatur14-25


Anforderungsbereich III

• »Die Harvard-Architektur ist effizienter als die vonNeumann-Architektur«. Nehmen Sie Stellung zu dieserAussage und begründen, ob Sie ihr zustimmen können odernicht.

In dieser Aufgabenstellung wird deutlich, dass gerade im AFB IIIOperatoren der darunterliegenden Bereiche vorausgesetzt werden.So müssen die Schülerinnen und Schüler

• vergleichen• analysieren• ableiten• einordnen

können.


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Anforderungsbereich III

• »Die Harvard-Architektur ist effizienter als die vonNeumann-Architektur«. Nehmen Sie Stellung zu dieserAussage und begründen, ob Sie ihr zustimmen können odernicht.

In dieser Aufgabenstellung wird deutlich, dass gerade im AFB IIIOperatoren der darunterliegenden Bereiche vorausgesetzt werden.So müssen die Schülerinnen und Schüler

• vergleichen• analysieren• ableiten• einordnen

können.


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Literatur14-26

Nicht-schriftliche Kompetenztests

Bezugnehmend auf die vorangegangene Diskussion derAbbildbarkeit und Überprüfbarkeit soll nun ein Beispiel zur nichtschriftlichen Kompetenzmessung gegeben werden.

Als Beispiel wird eine Unterrichtseinheit vorgestellt welche einPlanspiel zur Von-Neumann-Architektur darstellt.


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Literatur14-27


Informatik-Erleben nach (Bischof und Mittermeier 2008)• Institut für Informatiksysteme Universität Klagenfurt• Entwickelt von Bischoff und Mittermeier• Auszug aus einer Unterrichtseinheit für eine Volksschule(normal 90min)

Unterrichtsziele• Prinzip der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe (EVA)verstehen.

• Erkennen, dass in einem Informatiksystem die Arbeit inEinzelschritte unterteilt wird.

• Durch Animation die Funktionen der einzelnenHardwarekomponenten kennen lernen, da die Verarbeitungvon Befehlen z.B. im Schreibtischrechner im Verborgenenpassiert


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Informatik-Erleben nach (Bischof und Mittermeier 2008)• Institut für Informatiksysteme Universität Klagenfurt• Entwickelt von Bischoff und Mittermeier• Auszug aus einer Unterrichtseinheit für eine Volksschule(normal 90min)

Unterrichtsziele• Prinzip der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe (EVA)verstehen.

• Erkennen, dass in einem Informatiksystem die Arbeit inEinzelschritte unterteilt wird.

• Durch Animation die Funktionen der einzelnenHardwarekomponenten kennen lernen, da die Verarbeitungvon Befehlen z.B. im Schreibtischrechner im Verborgenenpassiert


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Literatur14-28

Informatik erleben

Jetzt wird gespielt!!

Wir brauchen• Schreibsachen, also Block und Stifte• Tafel, Farbkreide• (Blanko-Kärtchen)

Aufteilung der Seminarteilnehmenden• Eingabe: 1 TN• CPU: 1 TN Steuerwerk, sowie 1 TN Rechenwerk• Befehlszähler: 1 TN• Speicher: 1 TN• Ausgabe: 1 TN

Restliche TN sind Beobachter (Eingabe, Ausgabe, Global)


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Informatik erleben






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Literatur14-29

Informatik erleben

Bevor wir uns ansehen wie der Computer rechnet, betrachten wireinmal, wie wir Menschen rechnen und was wir dafür benötigen.Was sind unsere Rechenutensilien?

Rechenaufgaben, Zettel/Block zum Schreiben, Ablage für dieErgebnisse


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Literatur14-29

Informatik erleben

Bevor wir uns ansehen wie der Computer rechnet, betrachten wireinmal, wie wir Menschen rechnen und was wir dafür benötigen.Was sind unsere Rechenutensilien?

Rechenaufgaben, Zettel/Block zum Schreiben, Ablage für dieErgebnisse


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Musterlösungen

Literatur14-30

Informatik erleben

Der Block entspricht dem Arbeitsspeicher, wo Notizen gemachtwerden und die Rechnungen einmal angeschrieben werden. Dieeigentlichen Rechnungen führt der Computer wie der Mensch miteinem Rechner aus, dieser heißt CPU und besteht aus demSteuerwerk und Rechenwerk. Das Steuerwerk ordnet den Ablaufund das Rechenwerk führt die eigentlichen Berechnungen durch.


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Literatur14-31

Aufgabenkarten für die Schülerinnen und Schüler

Jeder TN erhält ein Aufgabenkärtchen und los geht’s!


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Literatur14-32

Evaluation

Welche Kompetenzen können mit dieser Methode überprüftwerden?

Für welche Klassenstufen und in welchen Unterrichtsphasen kanndiese Aufgabe zum Einsatz kommen?

Kritik und Anmerkungen zur Methode


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Literatur14-33

Wozu Musterlösungen?

• Reflexion der Aufgaben durch die Lehrkraft• Einteilung in Teilbereiche, die sich an den erwartetenKompetenzen und Anforderungsbereichen orientieren

• Einschätzung der Zeit, welche die Schülerinnen und Schülerbenötigen werden

• Man sollte immer zwei Musterlösungen anfertigen→ Eine für die schwächste Schülerin und eine für die besteSchülerin


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Musterlösungen

Literatur14-34

Beispieltabelle

Das MSWNRW gibt auf seinen Internetseiten eine Beispielvorlagefür Musterlösungen im inhaltlichen Bereich der Aufgaben imZentralabitur an.

Anforderungen max. erreich. AF-Der Prüfling . . . Punktzahl Bereich

123456

Summe der (Teil)-Aufgabe

(Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW 2014)


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Musterlösungen

Literatur14-35

Literatur für das Seminar I

Bischof, E. und R. Mittermeier (2008). Informatik erleben.Institut für Informatik-Systeme Alpen-Adria UniversitätKlagenfurt. url:http://informatik-erleben.uni-klu.ac.at/einheiten/h/e-h1/_files/EH1_Grundlagen_VS_f1b.pdf (besucht am26. 12. 2014).

Burkhard, Hans-Dieter u. a. (2007). Duden Informatik. 1. Aufl.Berlin: Duden PAETEC. isbn: 978-3-89818-622-3.

Hoffmann, Dirk W. (2010). Grundlagen der TechnischenInformatik. 2. Aufl. München: Carl Hanser Verlag. isbn:978-3-446-42150-9.

Humbert, Ludger (2006). Didaktik der Informatik – mitpraxiserprobtem Unterrichtsmaterial. 2., überarbeitete underweiterte Aufl. Leitfäden der Informatik. Wiesbaden: B.G.Teubner Verlag. isbn: 3-8351-0112-9.

http://informatik-erleben.uni-klu.ac.at/einheiten/h/e-h1/_files/EH1_Grundlagen_VS_f1b.pdf

http://informatik-erleben.uni-klu.ac.at/einheiten/h/e-h1/_files/EH1_Grundlagen_VS_f1b.pdf


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Musterlösungen

Literatur14-36

Literatur für das Seminar II

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW (2007).Informatik - Übersicht über die Operatoren. Webauftritt desMinisteriums für Schule und Weiterbildung NRW. url:https://www.standardsicherung.schulministerium.nrw.de/abitur-gost/fach.php?fach=15 (besucht am 26. 12. 2014).

– (2014). Beispieltabelle zur Aufgabenkontruktion im AbiturfachInformatik. Webauftritt des Ministeriums für Schule undWeiterbildung NRW. url:https://www.standardsicherung.schulministerium.nrw.de/abitur/abitur-gymnasiale-oberstufe/service (besucht am02. 01. 2015).

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fung


Bildungs-dokumente

DIDAKTIKDER

INFORMATIK


(IMG)

Objekt-orientierte

Modellierung(OOM)


(TI)





Fundamentale Ideen






Musterlösungen

Literatur14-37

Literatur für das Seminar III

Schwill, Andreas (1993). »Fundamentale Ideen der Informatik«.In: ZDM 25.1. ZDM – Zentralblatt für Didaktik derMathematik, S. 20–31. issn: 0044-4103. url: http://www.informatikdidaktik.de/Forschung/Schriften/ZDM.pdf(besucht am 29. 04. 2013).

Stangle, Werner (2014). Online Lexikon für Psychologie undPädagogik. url: http://lexikon.stangl.eu/ (besucht am26. 12. 2014).

Zurstrassen, Bettina (2009). »Kompetenzorientierte Lehrerbildungin den sozialwissen-schaftlichen Unterrichtsfächern: BlühendeLandschaften in der sozialwissenschaftlichen Lehrerbildung vonmorgen?« In: Journal of Social Science Education 8.2,S. 32–45.

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