Beiträge zur Automatisierung der frühen Entwurfsphasen verteilter Systeme

With the rapid increasing speed of electronic devices systems with highercomplexity, interconnectedness and heterogeneity can be developed. The developmentof such systems can only be done by teams of specialists. Atthe same time the development needs to happen in parallel to ensure anearly time to market. Therefore in the traditional design process the designis described in form of a written specification of the common system andpartitioned to several teams. This takes place in early design stages at highproduct uncertainty. Sub system development assumptions and decisions aremade without being able to evaluate the effect on the common system. Thusmany critical errors, especially those, caused by coupling effects, are discoveredduring system integration at the end of the design process. Furthermorean optimization of the common system is not possible, because of the lack ofa common system model. Hence the traditional design process is a high riskdevelopment process. In the Mission Level Design approach, an executable specification of thecommon system instead of a written specification is developed after conceptdevelopment. These is validated and optimized against the requirements ofthe common system. The such validated specification of the coupled systemis then passed on to specialist teams for sub system development. The subsystems are then integrated. In this manner integration problems can besolved in the early design stages. Development time and risk can be reducedsignificantly. To increase the specification quality and speed while developing common systemmodels, in the present work, standardized methods for specification andperformance evaluation of distributed systems and methods for automatedmapping of function into architecture are developed. This allows architectureoptimization of the common system in the early design stages. In addition,methods for transformation of the abstract design into implementations aredeveloped.Mit der rapide steigenden Geschwindigkeit elektronischer Bauelemente könnenSysteme mit erhöhter Komplexität, Vernetzung und Heterogenität entwickeltwerden. Dies hat zur Folge, dass eine Entwicklung nur durch Teamsvon Spezialisten durchführbar ist. Gleichzeitig muss die Entwicklung parallelerfolgen, um eine möglichst frühzeitige Produkteinführung zu ermöglichen.Im traditionellen Entwurfsprozess wird daher der Entwurf in Form einer geschriebenenSpezifikation des Gesamtsystems erfasst und anschließend aufmehrere Teams aufgeteilt. Dies erfolgt in den frühen Entwurfsphasen, welchedurch eine hohe Unsicherheit über das Produkt gekennzeichnet sind. Dabeimüssen bei der Entwicklung der Subsysteme Annahmen und Entscheidungengetroffen werden, ohne den Einfluss auf das Gesamtsystem abschätzenzu können. Kopplungseffekte werden weitestgehend ignoriert. Viele kritische,insbesondere durch Kopplungseffekte hervorgerufene Fehler, können folglicherst bei der Integration am Ende der Entwicklung entdeckt werden. Zudem isteine Optimierung des Gesamtsystems nicht möglich, da kein Gesamtsystemmodellvorliegt. Der traditionelle Entwurfsprozess besitzt daher ein hohesEntwicklungsrisiko. Beim Entwurfsansatz Mission Level Design wird nach dem Konzeptentwurfanstatt einer geschriebenen eine ausführbare Spezifikation des Gesamtsystemsentwickelt. Diese wird gegen die Gesamtsystemanforderungen validiertund optimiert. Daraufhin wird die Spezifikation des gekoppelten Gesamtsystemsan mehrere Teams zur Entwicklung der Subsysteme weitergegeben,welche dann wieder zu einem Gesamtsystem integriert werden. Integrationsproblemewerden so schon in den frühen Entwurfsphasen gelöst, was einewesentliche Verringerung von Entwicklungszeit und -risiko bewirkt. Um die Spezifikationsqualität und -geschwindigkeit bei der Entwicklung vonGesamtsystemmodellen zu erhöhen, werden im Rahmen der Arbeit standardisierteMethoden zur Beschreibung und Leistungsbewertung verteilterSysteme, sowie zum automatisierten Mapping von Funktion in Architekturentwickelt. Dies ermöglicht bereits in den frühen Entwurfsphasen eine Architekturoptimierungdes Gesamtsystems. Zusätzlich werden Methoden zurÜberführung des abstrakten Entwurfs in Implementationen entwickelt

Entwicklung und Erprobung des didaktischen Systems Internetworking im Informatikunterricht

Internetbasierte Informatiksysteme beeinflussen in steigendem Maße Situationen in unterschiedlichen Lebensbereichen. Kompetenzen zur Verwendung von Internetanwendungen und -diensten müssen explizit erworben werden, weil damit ein notwendiger Einblick in nicht beobachtbare Abläufe und nicht offen sichtbare Strukturen verbunden ist. Bisher gibt es Vorschläge für die Gestaltung schulischer Lehr-Lernprozesse zu ausgewählten Teilaspekten des Internets. Es fehlt eine systematische Analyse des Bildungsbedarfs und ein daraus resultierendes Unterrichtsmodell. In dieser Arbeit wird ein Gesamtkonzept für den Informatikunterricht in der Sekundarstufe II vorgestellt, das zu zielgerichteter und verantwortungsvoller Anwendung des Internets beiträgt. Die vorliegende Arbeit umfasst den Prozess von der Analyse erforderlicher Kompetenzen bis zur Realisierung von Lehr-Lernprozessen im Informatikunterricht in der Sekundarstufe II. Es werden der Beitrag der Informatik zu identifizierten Kompetenzen untersucht und Bildungsanforderungen bestimmt. Bildungsempfehlungen und Forschungsergebnisse zu erfolgreichen Unterrichtseinheiten werden im Hinblick auf die Bildungsziele analysiert. Der Informatikunterricht unterstützt die Kompetenzentwicklung zu internetbasierten digitalen Medien. Es wird die Entwicklung eines Unterrichtsmodells zu Internetworking beschrieben. Dazu wird der Ansatz der Didaktischen Systeme untersucht, weiter entwickelt und auf den Bereich Internetworking übertragen. Der theoretische Ansatz wird dazu in vier Unterrichtsprojekten zu Internetworking in der Praxis realisiert. Beziehungen zwischen Fachkonzepten zu Internetworking werden untersucht und durch Wissensstrukturen zur Planung von Unterrichtsprojekten eingesetzt und in der Praxis erprobt. Die Beschreibung von Lernaktivitäten erfolgt auf der Basis von Aufgabenklassen, die das notwendige Wissen zur Bearbeitung einer Aufgabenstellung repräsentieren. Auf der Grundlage des Ablaufs der Aufgabenbearbeitung werden Eigenschaften von Aufgaben beschrieben und zu deren Gestaltung nutzbar gemacht. Bisher nicht durchführbare Tätigkeiten im Unterricht werden durch die Entwicklung der Lernsoftware Filius ermöglicht. Die Reduktion der komplexen Wirklichkeit durch Simulation realer internetbasierter Informatiksysteme und die Auswahl geeigneter Sichten auf den Untersuchungsgegenstand werden mit Ergebnissen der Informatikdidaktik begründet. Unterrichtsprojekte zu den Zielen werden durchgeführt, um Lehr-Lernprozesse zu erkunden und das entwickelte Didaktische System zu erproben. Ausgehend von der theoretischen Fundierung erfolgt die praktische Realisierung von Lehr-Lernprozessen. Zur Erprobung im Informatikunterricht der Sekundarstufe II in Nordrhein-Westfalen werden Minimalziele aufgrund der Lehrvorgaben bestimmt. Die methodische Gestaltung in der Erprobung erfolgt unter Berücksichtigung der Vorgaben für den Informatikunterricht und allgemeinen Anforderungen der Fachdidaktik. Handlungsorientierte Unterrichtsmittel werden ausgewählt und in der Praxis zur Untersuchung der Lehr-Lernprozesse verwendet. Im Unterricht identifizierte Lernschwierigkeiten führen zur Modifikation der Wissensstrukturen und werden im Entwicklungsprozess von Filius berücksichtigt. Die Erkenntnisse aus Unterrichtsprojekten werden genutzt, um zu bestimmen, zu welchen Aufgabenklassen weitere Aufgaben erforderlich sind und inwieweit das aus den identifizierten Merkmalen abgeleitete Vorgehen zur Entwicklung niveaubestimmender Aufgaben genutzt werden kann. Die Erprobungen bestätigen die Tragfähigkeit des Didaktischen Systems Internetworking und leisten mit der Implementierung in der Praxis einen Beitrag zur Untersuchung von Kompetenzentwicklung im Informatikunterricht. Mit dem Didaktischen System Internetworking wird ein theoretisch fundiertes und empirisch erprobtes Unterrichtsmodell zur Entwicklung von Kompetenzen zur Einrichtung und Anwendung internetbasierter Informatiksysteme beschrieben.Internet-based informatics systems increasingly influence real-life situations. Competencies for Internet applications and services have to be explicitly attained because not observable processes and invisible structures have to be considered. There are examples of successful learning processes for selected parts of the Internet. A systematic analysis of educational requirements and a derived didactic concept for general education is missing. An overall didactic concept for informatics in secondary education is presented in this work, which contributes to goal-oriented and responsible application of the Internet. This work comprises the process from analysis of necessary competencies to realisation of learning processes in classes in secondary education. The contribution of informatics to identified competencies is examined and educational requirements are determined. Recommendations for informatics education and research results of successfully introduced classes are analysed with regard to the learning objectives. Informatics courses support the development of competencies related to Internet-based digital media. The development of a didactic concept concerning Internetworking is described. The approach of Didactic Systems is examined, elaborated, and transferred to Internetworking. The theory-based approach is realised in practice during four classroom projects. Relations between concepts about Internetworking are analysed, applied to plan classroom projects, and evaluated by means of knowledge networks. Learning activities are described on the basis of exercise classes, which represent the necessary knowledge to solve an exercise. Properties of exercises are described and utilised. Learning activities that were not realizable up to this point are facilitated by the developed learning software Filius. The reduction of complexity of real informatics systems by simulation and the selection of appropriate views of the object of examination are based on results of didactics of informatics. Classroom projects are performed to explore learning processes and to evaluate the Didactic System Internetworking. Learning processes are put into practice based on the theoretic approach. Minimal objectives for the classroom projects are determined from educational guidelines of informatics in secondary education at North Rhine-Westfalia. The methodical design of the learning processes is based on the guidelines and general requirements of didactics of informatics. Activity-oriented learning material is selected and introduced into practice to examine learning processes. Identified learning difficulties result in modification of the knowledge structures and are considered during the development of Filius. Further findings allow conclusions regarding the necessity of exercises of identified exercise classes and regarding the applicability of determined exercise properties to design assignments to define the outcome of learning processes. The classroom projects confirm the viability of the Didactic System Internetworking and contribute to further analysis of the development of competencies in informatics education. The Didactic System Internetworking provides a theory-based empirically approved didactic concept for the development of competencies to establish and to use Internet-based informatics systems