Fachdidaktische Diskussion von Informatiksystemen und der Kompetenzentwicklung im Informatikunterricht

In der vorliegenden Arbeit wird ein Unterrichtsmodell zur Kompetenzentwicklung mit Informatiksystemen für die Sekundarstufe II vorgestellt. Der Bedarf wird u. a. damit begründet, dass Informatiksysteme zu Beginn des 21. Jahrhunderts allgegenwärtig sind (Kapitel 1). Für Kompetenzentwicklung mit Informatiksystemen sind diese in ihrer Einheit aus Hardware, Software und Vernetzung anhand ihres nach außen sichtbaren Verhaltens, der inneren Struktur und Implementierungsaspekten 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 aufteilen (Kapitel 4). In Kapitel 5 wird die Unterrichtsmodellentwicklung beschrieben. Den Zugang zu Informatiksystemen bildet in der vorliegenden Dissertationsschrift das nach außen sichtbare Verhalten. Es erfolgt eine Fokussierung auf vernetzte fundamentale Ideen der Informatik und Strukturmodelle 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 sichtbare Verhalten von Informatiksystemen, im Sinne einer Black-Box, und das Wechselspiel von Verhalten und Struktur bei vorliegender Implementierung des Systems als White-Box analysiert. 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 können in Entwurfsmustern enthaltene fundamentale Ideen der Informatik über ihren Lebensweltbezug 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 Machbarkeit des Unterrichtsmodells und dessen Akzeptanz durch die Schüler (Kapitel 6 und 8). Exemplarisch 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 Kompetenzentwicklung 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 erfolgt 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.In the 21st century, informatics systems are ubiquitous. Therefore, the author presents an educational model for competencies with respect to informatics systems (Chapter 1). To achieve such competencies at upper secondary level, observable behaviour, internal structure and implementation 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) educational 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 competencies 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 structural 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\u27 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. Given 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 software: (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 classroom 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 control 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

Informatik im Herstellungs- und Nutzungskontext : ein technikbezogener Zugang zur fachübergreifenden Lehre

Dieter EngbringPaderborn, Univ., Diss., 200

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

Technische Bildung im Sachunterricht der Grundschule

Technical education in primary school is a relevant topic for the Gesellschaft für Didaktik des Sachunterrichts (Society for the Didactics of Science Education in Primary Schools) - this is already shown by the designation of a separate perspective in the Perspektiverahmen Sachunterricht. However, research results in the field of technical learning can currently only be found sporadically. In research conferences on technical education that have been taking place since 2017, colleagues have presented research projects on children's learning preconditions and conditions, the impact of teaching settings, the importance of the interplay between thinking and acting, the importance of language in technical learning, children's abilities in the area of analytical thinking, etc. In addition, colleagues posed the question of how and whether schools have equipment available that would make technical education possible in the first place. These perspectives and (preliminary) research findings are summarised in this volume.Technische Bildung in der Grundschule ist für die Gesellschaft für Didaktik des Sachunterrichts ein relevantes Thema – dies zeigt schon die Ausweisung einer eigenen Perspektive im Perspektivrahmen Sachunterricht. Forschungsergebnisse im Bereich des Technischen Lernens findet man derzeit jedoch nur vereinzelt. In seit 2017 stattfindenden Forschungstagungen zur Technischen Bildung haben sich Kolleginnen und Kollegen in Forschungsprojekten mit Lernvoraussetzungen und -bedingungen von Kindern, Wirkweise von Unterrichtssettings, die Bedeutung des Zusammenspiels von Denken und Handeln, die Bedeutung der Sprache im technischen Lernen, Fähigkeiten von Kindern im Bereich des analytischen Denkens etc. vorgestellt. Darüber hinaus stellten sich Kolleginnen die Frage, wie und ob Schulen Ausstattungen zur Verfügung haben, die technische Bildung überhaupt erst ermöglichen würden. Diese Erkenntnisperspektiven und (vorläufigen) Forschungserkenntnisse sind in vorliegendem Band zusammengefasst. (DIPF/Orig.

Kompetenzorientierter Informatikunterricht in der Sekundarstufe I unter Verwendung der visuellen Programmiersprache Puck

In dieser Arbeit wurde die aktuelle Diskussion um Bildungsstandards sowie die spezifische Situation in der Informatik dargestellt. Weiterhin wurde auf Kompetenzen, Kompetenzmodelle und zugehörige Aufgaben eingegangen. Ausgehend von diesen Analysen wurde auf Grundlage der von der GI empfohlenen „Grundsätze und Standards für Informatik in der Schule“ ein Kompetenzmodell für den Inhaltsbereich „Algorithmen“ der 8. bis 10. Jahrgangsstufe zusammen mit Aufgaben zum Verdeutlichen, Erwerben und Überprüfen der Kompetenzen entwickelt. Die gewonnenen Erfahrungen bei der Entwicklung des Kompetenzmodells und der Aufgaben wurden jeweils zusammengefasst. Das Erwerben von Kompetenzen zum Inhaltsbereich „Algorithmen“ ist häufig mit dem Einsatz einer konkreten Programmiersprache verbunden. Die vom Autor erstellte visuelle Programmiersprache Puck wurde im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt und von verschiedenen anderen visuellen Werkzeugen abgegrenzt. Weiterhin wurden Gründe dargestellt, die für den Einsatz solcher visueller Werkzeuge bei der Einführung in die Programmierung sprechen. In einer Voruntersuchung an sechs Thüringer Schulen wurden erste Erfahrungen zu kompetenzorientiertem Informatikunterricht unter Verwendung der entwickelten Materialien und der visuellen Programmiersprache Puck zusammengetragen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden in der Hauptuntersuchung 84 Lehrerinnen und Lehrern im deutschsprachigen Raum das weiterentwickelte Kompetenzmodell, die zugehörigen Aufgaben und Puck zur Verfügung gestellt. Die Befragung von 40 Lehrpersonen, am Ende der Hauptuntersuchung ergab, dass es einem Großteil der Lehrkräfte möglich war, anhand der bereitgestellten Materialien kompetenzorientierten Informatikunterricht zu strukturieren, vorzubereiten, durchzuführen und auszuwerten. Es zeigte sich außerdem, dass die visuelle Programmiersprache Puck größtenteils als geeignet für eine Einführung in die Programmierung in den Jahrgangsstufen 8 bis 10 eingeschätzt wurde

Entwicklung und Erprobung eines Instruments zur Messung informatischer Modellierungskompetenz im fachdidaktischen Kontext

Die Auswertung der Ergebnisse internationaler Vergleichsstudien haben Mängel am deutschen Bildungssystem aufgedeckt. In diesem Zusammenhang rückte die Vermittlung von Kompetenzen in das Zentrum bildungspolitischer Lösungsstrategien. Um die Qualität des deutschen Bildungssystems zu sichern, wird die Entwicklung nationaler Bildungsstandards gefordert, die verbindliche Anforderungen an das Lehren und Lernen in der Schule darstellen. Diese Bildungsstandards sollen sich nach Vorgaben des Bildungsministeriums für Bildung und Forschung auf wissenschaftlich fundierte Kompetenzmodelle stützen, die in Zusammenarbeit von Fachdidaktikern, Fachwissenschaftlern und Psychologen entwickelt werden. Ebenso wird hier explizit die Einbeziehung und Entwicklung entsprechender Verfahren zur Testentwicklung gefordert.In Anbetracht dieser bildungspolitischen Umstände, beschreibt die vorliegende Dissertationsschrift die Entwicklung eines wissenschaftlich fundierten Kompetenzstrukturmodells und eines Kompetenzmessinstruments für einen zentralen Teilbereich der informatischen Bildung, der objektorientierten Modellierung. Um die Bedeutung des Gegenstandsbereichs zu verdeutlichen, wird die Relevanz der Modellierung für die Informatik aus fachwissenschaftlicher und fachdidaktischer Perspektive erörtert. Im weiteren Verlauf wird dargestellt, wie die Gestaltung eines Kompetenzstrukturmodells in zwei Schritten erfolgen kann. Zunächst erfolgt eine normativ theoretische Ableitung von Kompetenzdimensionen und -komponenten anhand von einschlägiger Fachliteratur. In einem weiteren Schritt findet die empirische Verfeinerung des theoretischen Rahmenmodells durch eine Expertenbefragung (durchgeführt in 2009 und 2010), bei der Fachwissenschaftler, Fachdidaktiker und Fachleiter für das Fach Informatik befragt wurden, statt. Auf Grundlage des wissenschaftlich fundierten Kompetenzmodells wirdBased on the outcomes of international studies, which show the inadequateness of the German education system, fostering learners' competencies becomes increasingly relevant. In order to further improve the quality of the German education system, educational policy requires the education system to implement national educational standards. These standards delineate how learning and teaching in schools should take place. Teaching and learning should be based on empirically-grounded competence models that should be developed by domain experts and psychologists cooperatively. For the evaluation of these competence models, educational policy demands the development of appropriate instruments to measure relevant competencies as well. In order to fulfill these demands, the development of an empirically-grounded competence model and a respective instrument will be described for the domain of computer science modeling. First, the relevance of object-oriented modeling for computer science education will be shown. Hereafter, the development of an empirically-grounded competence model and an associated test instrument will be shown.The development of the competence model requires two intermediate steps: In the first step it will be shown how the dimensions and components of the model can be derived theoretically. In a second step, the competence model will be refined empirically by referring to the results of the qualitative content analysis of experts interviews conducted in 2009 and 2010. In the interviews, three groups of experts have been interviewed: (1) experts of computer science, (2) experts of computer science education and (3) expert computer science teachers.Based on the empirically-grounded competence model, the development of an instrument for measuring competencies will be described. Here, the creation of items to prove the respective competencies covered in the competence model will be illustrated.Tag der Verteidigung: 05.06.2013Paderborn, Univ., Diss., 201

Konzeption und Diskussion zu E-Learning für Internetworking in der beruflichen Bildung unter Weiterentwicklung des Didaktischen Systems

In dieser Dissertationsschrift wird ein fachdidaktisch fundiertes E-Learning-Modell für die berufliche Weiterbildung entwickelt. Ziel ist es, die abwechslungsreiche und nachhaltige Gestaltung von Lehr-Lernprozessen zum Thema Internet zu unterstützen. Das E-Learning-Modell berücksichtigt Erkenntnisse aus Fachdidaktik, E-Learning-Forschung und beruflicher Weiterbildung. Bei der Gestaltung von Lehr-Lernprozessen betont es insbesondere die Aspekte · Förderung von Schlüsselkompetenzen, · Aneignung der Fachsprache und · selbstgesteuertes Lernen. Als theoretische Basis dient das fachdidaktische Konzept der didaktischen Systeme. Die bildungstheoretische Perspektive wird ergänzt um Rückkopplung aus der Praxis

Frühe informatische Bildung – Ziele und Gelingensbedingungen für den Elementar- und Primarbereich

Wie können Ziele und Gelingensbedingungen informatischer Bildung im Elementar- und Primarbereich aussehen? Mit Blick auf die pädagogisch-inhaltlichen Zieldimensionen informatischer Bildung geben Fachexpertinnen und -experten Empfehlungen für die Entwicklung der inhaltlichen Angebote der Stiftung „Haus der kleinen Forscher“ im Bereich Informatik. Zudem wird die Umsetzung dieser Empfehlungen in den Stiftungsangeboten veranschaulicht