Unterrichtsentwicklung durch Wettbewerbe: Analyse zweier Informatikwettbewerbe für den Schulunterricht

When the first PISA-results were published in Germany in the end of 2001 (“PISA-Shock”), many discussions started about reforming teaching with the help of new ideas and innovative approaches. Around the same time, the number of competitions in German schools started to grow immensely. Although many schools have taken part in such competitions, we are lacking studies investigating their potential. Only as recent as 2006, a scientific meeting was held at the Körber-Forum in Hamburg called “Why competitions for pupils? Impulses for education and learning”, which initiated a wider and more systematic discussion about the meaning of competitions at school and in teaching. Two competitions in computer science – the Movingart-Competition for the lower secondary school ages and the Software Challenge for the senior years, both organized by the computer science department of Kiel University – are investigated in this dissertation as to whether and how far they represent useful tools in the development of teaching. The findings show that both competitions offer new and important impulses for teaching in its structure and its organization: pupils develop more competences, their motivation rises, and they get deeper insights into the subject; teachers start cooperations across different subjects and receive more options for adapting their teaching to invidual pupils. Thus, both competitions offer a great contribution to improve the quality of teaching and strongly offer the schools taking part an increased educational benefit. It is to be presumed that new future competitions for schools which are constructed in the same or a comparable way as Movingart and Software-Challenge will contribute in a similar improving way to the quality of teaching

Making und die Informatik

Making lässt Schüler:innen zu Erfinder:innen innen werden, lässt sie die digitale Welt mitgestalten und ermöglicht ihnen, diese durch aktives Handeln zu verstehen. Während oft ein ästhetisch ansprechendes Produkt entsteht, ist es vor allem der Prozess dorthin, der für das Lernen relevant ist. Making für den schulischen Kontext ist bisher eher durch einen klar definierten Prozess zu einem gezielten Produkt gekennzeichnet. Dies macht die Aktivität organisatorisch wie inhaltlich planbar und gibt Sicherheit. Maker-Bildung beschreibt darüber hinaus auch einen offenen Prozess, in dem Lernwege und Ergebnisse nicht vordefiniert sind und in dem Fehler, Um- und Weiterdenken erlaubt sind. Dafür braucht es Räume und Kompetenzen, die derartiges Arbeiten zulassen und davon profitieren. Die Informatik als problemlösende Disziplin kann Maker-Bildung im Unterricht umsetzen. Damit lässt sich einerseits der Prozess der Informatik durch die Arbeit an einem Projekt verdeutlichen, andererseits werden informatische Kompetenzen benötigt, um Produkte zu entwickeln, die über einfache Informatiksysteme hinausgehen. Im Artikel zeigen wir, warum es hier die Informatik braucht und warum Maker-Bildung im Informatikunterricht umgesetzt werden sollte

Von Datenmanagement zu Data Literacy: Informatikdidaktische Aufarbeitung des Gegenstandsbereichs Daten für den allgemeinbildenden Schulunterricht

Die Thematisierung von Daten in der Informatik befindet sich seit über einem Jahrzehnt in einem Wandel, der nicht nur technische Neuerungen nach sich zieht, sondern auch eine umfassende Neubetrachtung der Erfassung, Speicherung und Nutzung von Daten verursachte und zur Bildung eines neuen umfassenden Fachgebiets Datenmanagement führte. Die Ausmaße dieser Entwicklung zeigen sich an der zunehmenden Verarbeitung komplexer Daten (Big Data), neuen Möglichkeiten zur Datenverarbeitung und -analyse (z. B. Datenstromsysteme, Data Mining) und nicht zuletzt an der Entstehung einer eigenen Data Science. Neben fachlichen Veränderungen unterliegt aber auch die gesellschaftliche Bedeutung von Daten einem Wandel: Daten stellen nicht mehr nur ein wichtiges und innovatives Thema der Informatik, sondern das zentrale Fundament der digitalen Gesellschaft dar. Auch der Informatikunterricht konzentriert sich seit Jahren eher auf tradierte Aspekte des Fachgebiets, wie Datenbanken und Datenmodellierung, während neuere Themen allenfalls als Unterrichtskontext aufgegriffen werden. Um eine aqäquate Grundlage für den Unterricht zu diesen Themen zu schaffen, die langlebigen Aspekte der fachlichen Entwicklungen zu identifizieren und somit einen zukunftssicheren Informatikunterricht zu ermöglichen, ist eine umfassende informatikdidaktische Aufarbeitung essenziell. Somit eröffnet sich durch diese Veränderungen deutliches Potenzial, nicht nur für die Informatikdidaktik, sondern auch für die Unterrichtspraxis. In dieser Arbeit wird daher der Gegenstandsbereich Daten und insbesondere das Fachgebiet Datenmanagement aus informatikdidaktischer Sicht umfassend aufgearbeitet, mit dem Ziel ein Fundament für die weitere Forschung und die Unterrichtspraxis zu schaffen. Dazu wird das Modell der Didaktischen Rekonstruktion als Forschungsrahmen eingesetzt und das Fachgebiet aus den Perspektiven Fach, Lehrer, Schüler und Gesellschaft untersucht. Als eines der zentralen Ergebnisse wird, basierend auf einem empirisch geprägten Ansatz, ein Modell der Schlüsselkonzepte des Datenmanagements entwickelt. Um den Bogen zu allgemeinbildenden Datenkompetenzen im Sinne einer Data Literacy zu spannen, entsteht außerdem ein Data-Literacy-Kompetenzmodell, das auf Grundlagen des Datenmanagements und der Data Science fundiert wird. Um die praktische Relevanz der Ergebnisse der Arbeit zu unterstreichen, wird auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse die Umsetzung von Datenmanagement im Informatikunterricht skizziert. Dazu werden zwei Unterrichtswerkzeuge sowie eine Unterrichtssequenz entwickelt und erprobt. Diese Arbeit schafft somit nicht nur eine Orientierung und Basis für die weitere Forschung im Kontext Daten, sondern sorgt durch die fachliche Klärung des Fachgebiets Datenmanagement auch dafür, dass dessen Kernaspekte greifbarer und klarer erkennbar werden. Sie zeigt exemplarisch, dass auch moderne und komplex erscheinende Themen des Datenmanagements unter Berücksichtigung der zugrundeliegenden Konzepte für den Unterricht geeignet aufbereitet werden können und betont die Relevanz dieser Themen, die in einer digitalen Gesellschaft und im Sinne der Schaffung einer Data Literacy zukünftig einen größeren Stellenwert im Informatikunterricht erlangen müssen

Computational modelling as a dimension of an integrated art and computer science based media education

Heute sind nicht nur diverse gestaltungsbezogene Disziplinen gefragt, sich aktiv mit der Digitalisierung von Information und ihren Potentialen und Nebenwirkungen für Bildungsprozesse auseinander zu setzen. In Deutschland haben sich Technikdidaktik und informatische Bildung getrennt von Medienpädagogik und Mediendidaktik entwickelt und wurden entsprechend unabhängig voneinander betrieben. Dies gilt auch für die Ästhetische Bildung, die informatisch-technische Inhalte kaum je curricular in die Auseinandersetzung mit digitaler Medienkultur integriert hat, schon gar nicht systematisch. Im diesem Artikel wird, ausgehend vom Stand der Forschung (zur Integration informatischer Inhalte in die Medienbildung) und den identifizierten Grundproblemen der Medienbildung zwecks Kompensation der Defizite, ein auf Gestaltung basierter Ansatz präsentiert, kontextualisiert und diskutiert, der Technikverständnis in ein Konzept integrierter Medienbildung einbezieht, dies als Bildungsziel im Sinne eines ganzheitlichen Verständnisses von Welt begreift und daher disziplinüberschreitend angelegt ist. Der Ansatz geht über technokratische Vorstellungen einer Technikdidaktik hinaus, die Medientechnologien isoliert von lebensbedeutsamen, ästhetisch-künstlerisch gestalteten Kontexten betrachtet und vermittelt. Im didaktischen Konzept werden die Grundlagen informatischer Modellbildung als relevante Teilbereiche einer zeitgemässen, am Subjekt orientierten, gleichermassen ästhetisch-künstlerisch und technisch-informatisch geprägten Medienbildung aufgewiesen, ihre pädagogischen Vorläufer, Forschungsprojekte und Nachbardisziplinen benannt sowie Ausblicke für eine zeitgemässe Medienbildung gegeben.Today, not only diverse design-related disciplines are required to actively deal with the digitization of information and its potentials and side effects for education processes. In Germany, technology didactics and computer science education developed separately from media education and were taught isolated from each other. This also applies to the art education, wherein computer science based learning contents to examine the digital media culture, hardly ever got integrated into the curricula. Based on the current state of research, in this article, a design based approach is presented, contextualized and discussed, which perceives the understanding of technology in connection with an integrated media education, in terms of a holistic understanding of the world, therefore applied across disciplines. It steps beyond a technocratic view of computer education, which excludes meaningful contexts of consideration and communication. The didactic approach, the basics of computer science modelling will be recognized as relevant parts of a contemporary, subject-oriented, both art and technology-based media education. Educational precursors and related disciplines are named, and in conclusion an outlook at contemporary media education is given

Debugging im Informatikunterricht

Debugging ist ein Schlüsselproblem des Informatikunterrichts: Programmierfehler zu finden und zu beheben stellt für Schülerinnen und Schüler ein erhebliches Hindernis beim Programmierenlernen dar und ist eine große Quelle für Frustration. Gleichzeitig stehen aber auch die Lehrkräfte vor der enormen Herausforderung, allen Lernenden gleichzeitig gerecht zu werden. Nichtsdestotrotz fehlt es bisher an informatikdidaktischer Forschung, die sich diesem gravierenden schulpraktischen Problem annimmt. In dieser Arbeit wird gemäß dem Forschungsformat der didaktischen Rekonstruktion der Prozess Debugging aus informatikdidaktischer Sicht aufgearbeitet. Dazu werden zunächst im Zuge der fachlichen Klärung vier Fähigkeiten identifiziert, die Schülerinnen und Schüler für selbstständiges Debugging benötigen: Die Anwendung eines systematischen Debuggingvorgehens, die Anwendung von Debuggingstrategien, die Verwendung von Heuristiken und Mustern für typische Fehler sowie von Werkzeugen. Das daraus resultierende Modell der Debuggingfähigkeiten für Novizen stellt damit die inhaltliche Basis für die Vermittlung von Debugging dar. Weiterhin wird die Perspektive der Lehrkräfte untersucht und analysiert, mit welchen Herausforderungen diese beim Debuggen im Unterricht konfrontiert sind und wie sie mit diesen umgehen. Die Lehrkräfte berichten dabei von großen Schwierigkeiten aufgrund mangelnder Selbstständigkeit der Schülerinnen und Schüler bei der Fehlerbehebung. Außerdem unterrichten sie Debugging kaum explizit, da es ihnen an Zeit, Konzepten und Materialien fehlt. Aus ihren Erfahrungen können weiterhin Gestaltungshinweise abgeleitet werden, wie etwa, dass Debugging nicht "auf Vorrat", sondern bei Bedarf unterrichtet und dabei die Selbstständigkeit der Lernenden auch aktiv eingefordert werden sollte. Darüber hinaus werden gesellschaftliche Ansprüche des Debugging untersucht und drei mögliche Beiträge zur Allgemeinbildung identifiziert: Zur Erklärung des Phänomens "fehlerhafte Software" aus der Lebenswelt, bezüglich des Lernens aus Fehlern sowie als Herangehensweise des Computational Thinking für Troubleshooting im Alltag. Daneben werden hinsichtlich der Perspektive der Lernenden Debugging-Lernvoraussetzungen von Schülerinnen und Schülern anhand ihres Vorgehens beim Troubleshooten erhoben, die deren Debuggingvorgehen beeinflussen. So wenden die Lernenden zwar ein systematisches Vorgehen für das Troubleshooten an und beziehen bisherige Erfahrungen und Muster für typische Fehler mit in diesen Prozess ein, haben aber insbesondere Probleme mit dem Aufstellen von (Alternativ-)Hypothesen oder dem Rückgängigmachen von erfolglosen Änderungen. Weiterhin haben sie Schwierigkeiten mit der Anwendung von Strategien wie dem Testen oder einer topographischen Suche, die entsprechend im Informatikunterricht adressiert werden müssen. Auf dieser Basis werden zehn Gestaltungskriterien für Konzepte und Materialien für das Debugging im Unterricht entwickelt sowie ein konkretes integratives Unterrichtskonzept für den Informatikunterricht entworfen. Die Wirksamkeit der expliziten Vermittlung von Debugging wird anhand des Unterrichtskonzepts empirisch validiert: Die Ergebnisse zeigen dabei die Bedeutung eines systematischen Vorgehens als Grundlage für erfolgreiches Debugging für Novizen auf und verdichten empirisch die These, dass Debugging explizit vermittelt werden sollte. Abschließend wird die Praxiswirksamkeit der Ergebnisse die Gestaltung einer Fortbildung untersucht und bezüglich des Transfers in die Unterrichtspraxis evaluiert. Dabei zeigt sich, dass die professionelle Kompetenz der Lehrkräfte sowie der Stellenwert des Themas Debugging für ihren Unterricht gestiegen ist. Außerdem versuchen sie, eine positive Fehlerkultur im Unterricht zu etablieren, und adaptieren und erweitern dazu die Fortbildungsinhalte. Zusammenfassend legt diese Arbeit damit die theoretische Grundlage für die Vermittlung von Debugging im Unterricht, indem relevante Debuggingfähigkeiten, unterrichtspraktische Anforderungen und Lernvoraussetzungen identifiziert werden. Darüber hinaus geben die Gestaltungskriterien sowie das evaluierte Unterrichtskonzept eine praxiswirksame Antwort auf die Frage, wie Debugging im Unterricht vermittelt werden kann. Neben diesen inhaltlichen Beiträgen werden im Rahmen dieser Arbeit zudem zwei methodische Beiträge geleistet. So wird einerseits ein Instrument zur Messung von Debuggingleistung und andererseits ein innovativer methodischer Ansatz zur Untersuchung von Troubleshooting-Vorgehensweisen entwickelt

Fach- und bildungswissenschaftliche Grundlagen für den Informatikunterricht in der Sekundarstufe I

2006 hat Jeannette M. Wing postuliert, dass es ein 'Computational Thinking' gibt, dass als Kernpunkte 'Automation' und 'Abstraktion' beinhaltet. Will das Schulfach Informatik sich als allgemeinbildendes Fach behaupten, ist es notwendig, herauszuarbeiten, dass 'informatisches Denken' eine grundsätzliche Denkstruktur ist, die unabhängig von der Anwendung konkreter Werkzeuge für das heutige Denken in Wissenschaft und Gesellschaft benötigt wird. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese grundsätzliche Denkstruktur vorliegt. Damit ist Informatik als Pflichtfach in der Schule notwendig. Zusätzlich wird gezeigt, dass Informatik auch bildungswissenschaftlichen  Bedingungen und lernpsychologischen Ansprüchen entspricht. Es wird daraufhin der Informatikunterricht in einem Wahlpflichtkurs mit Hauptfachcharakter an der Fritz-Steinhoff-Gesamtschule in Hagen beschrieben, der exemplarisch in einem 6. Jahrgang durchgeführt und evaluiert wurde. <br/

‹Through the Interface› – Media Education in a Digitalised Culture

Wenn Digitale Medien in der Medienpädagogik häufig verstanden werden als blosse Erweiterung bisheriger Medien – ‹Multimedia› und Vernetzung – wird die fundamentale Neuartigkeit dieses Computer-basierten Mediums, das seinen Ursprung in der Rationalisierung geistiger Tätigkeiten hat, verkannt: Es ist seine Programmierbarkeit, die die Verarbeitung von Daten, die Prozessierbarkeit im Medium selbst und die Interaktionsfähigkeit zur Folge hat. In meinem Beitrag mache ich diese fundamentale Bedeutung für die Kultur der zweiten Hälfte des 20. und 21. Jahrhunderts deutlich und die Konsequenzen für Bildungsprozesse. Medienbildung heisst dann auch, grundlegende informatische Prozesse zu verstehen, um sich in dieser Welt finden, sich positionieren und sie mit gestalten zu können. Dazu werden auch die Rolle der Informatik und ihrer neuen Entwicklungen im Physical Computing und Body Interaction mit Beispielen erwähnt, um zu zeigen, dass die Mittel sowohl für einen handlungs- und design-orientierten wie auch für einen, die Reflexion fördernden Umgang mit dem Computermedium heute vorhanden sind. Medienpädagogik kann – wenn sie sich mit der informatischen Bildung zusammen schliesst – zu einer aufregenden und für Bildung im 21. Jahrhundert höchst relevanten Gestaltungswissenschaft werden.To understand Digital Media as mere extensions of traditional media – multimedia and networks – misjudges the fundamental novelty of this medium. As a computer based medium it has its origins in rationalizing mental work and its hallmark is programmability, meaning processing of data, processibility as inherent part of the medium itself; this is the cause for its interactivity. In my contribution I point out the fundamental significance of this characteristic for the later 20th and 21st century and the consequences for education. In this sense media education means to promote an understanding of the fundamental computing qualities in order to develop student's personality, to help them to orient in a digitalised society, to support them in positioning and participating in the development of society and technology. Computer science and some of its newer concepts like physical computing and body interaction can be correlated best with an approach towards action- and design-based learning as well as with reflection in action. Media education could be enabled to become a discipline for designing, not just interpreting the world through a close association with computer science education

Der pädagogische Umgang mit technologischer Unbestimmtheit: Netnographie der Maker Culture

In digitalen Medien stecken Unbestimmtheiten. Den alltäglichen Nutzern dieser Technologien ist unter Umständen nicht bewusst, auf welchen technologischen Grundlagen beispielsweise ihr Tablet oder Smartphone basiert. Fähigkeiten im Umgang mit digitalen Medien können deshalb stark von Bedienkompetenzen geprägt und auf das alleinige Beherrschen von User-Interfaces beschränkt sein. Zusätzlich wird ein Verständnis der technologischen Grundlagen digitaler Medien häufig dadurch erschwert, weil es sich bei den aktuellen Geräten oftmals um abgeschlossene Systeme handelt. Auf der Softwareebene äußert sich dies folgendermaßen: Die Nutzer dürfen zwar Software auf dem Gerät frei installieren, diese muss aber in vielen Fällen aus den offiziellen app stores stammen. &nbsp; &nbsp

Ein Rahmenwerk für Evaluierung von Interdisziplinären Lerneinheiten für den Informatikunterricht

Obwohl in den letzten 20 Jahren viele Informatik-Angebote in Form von Workshops und Lerneinheiten gezielt für Mädchen und junge Frauen entstanden sind, ist die Frauenquote in informatikbezogenen Studiengängen und Berufen weiterhin sehr gering. Aussagekräfige Evaluierungen von Lerneinheiten sind essentiell für die Didaktik der Informatik, um Ursachen zu verstehen, wirkungsvolle Lösungsansätze zu erarbeiten und einen für Mädchen und Jungen gleichermaßen erfolgreichen Informatikunterricht zu gewährleisten. Ein vielversprechender aber noch kaum untersuchter Ansatz ist, Schülerinnen für die Informatik zu begeistern, indem interdisziplinäre Themen aus Domänen aufgegriffen werden,für die sie generell größeres Interesse zeigen. Allerdings gibt es keine einheitliche Vorschläge zur Evaluierung des Begeisterungspotentials einer Lerneinheit. Diese Arbeit liefert einen Vorschlag für ein Rahmenwerk zur Evaluierung von Lerneinheiten basierend auf 34 Studien. Zusätzlich wurde im Rahmen der Arbeit eine interdisziplinäre Online-Lerneinheit zu den Themen Data Science und Bienensterben umgesetzt und in einer Fallstudie mittels des Rahmenwerks ausgewertet. An der Studie nahmen 131 Schüler*innen der Klassenstufen 7 bis 10 teil (65 weiblich, 62 männlich). Erste Ergebnisse zeigen, dass die interdisziplinäre Lerneinheit vor allem Schülerinnen begeistern konnte, aber auch, dass es deutliche Unterschiede je nach Rahmenbedingungen und Lernumgebungen geben kann, was die Notwendigkeit für weiterführende differenzierte Analysen verdeutlicht

Informatikdidaktische Diskussion über das Design eingebetteter Systeme

Die Ausbildung künftiger Entwickler eingebetteter Systeme ist heute geprägt von einer subjektiven, kulturspezifischen Gestaltung von Lehr-Lernprozessen, welche die Ergebnisse der Kompetenzforschung zumeist nicht berücksichtigen. Es besteht Konsens, dass in Kompetenzmodellen strukturierte Kompetenzen –kognitive Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen –notwendig sind, um zwischen abstrakten Bildungszielen und konkreten Lehr-Lernprozessen zu vermitteln. Damit stellen die Erforschung von Kompetenzmodellen und Pfaden der Kompetenzaneignung grundlegende Forschungsbedarfe zur Hochschuldidaktik der technischen Informatik dar. In dieser Arbeit werden Konzepte zur theoretischen Fundierung von Laborpraktika der technischen Informatik entwickelt, welche auf Ergebnissen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes Kompetenzentwicklung mit eingebetteten Mikro- und Nanosystemen (KOMINA) aufbauen. In der vorliegenden Arbeit wird das Verständnis von eingebetteten Systemen als Teil informatischer Curricula insofern erweitert, als dass sich diese Systeme als Lerngegenstand eignen, um Kompetenzen verschiedener Informatikdisziplinen zu fördern und damit nicht auf die technische Informatik beschränkt sind. Eine Taxonomie zur Vergleichbarkeit fachdidaktischer Publikationen zu eingebetteten Systemen wird weiterentwickelt und angewandt, um institutionelle Besonderheiten sowie die Vielseitigkeit des Praxisfeldes zu erfassen. Forschungsgegenstand ist das im Rahmen von KOMINA entwickelte Entwurfs- und Anwendungspraktikum für eingebettete Systeme. Zielgruppe sind Studierende der Informatik. Es werden typische Lernhürden identifiziert, wodurch neue Erkenntnisse, über die formative Evaluation des unter Beteiligung des Autors entwickelten und durchgeführten Praktikums hinaus, gewonnen werden. Diese Erkenntnisse begründen die Notwendigkeit neuer didaktischer Konzepte und lernförderlicher Software unter Berücksichtigung institutioneller Besonderheiten sowie zielgruppenspezifischer Vorkenntnisse. Kognitive Strukturen als Komponente didaktischer Systeme werden in diesem Forschungsprojekt erforscht. Sie dienen als Basis für die informatikdidaktische Verfeinerung des in KOMINA empirisch evaluierten Kompetenzstrukturmodells für das Entwickeln eingebetteter Mikro- und Nanosysteme. Bislang wurden Erarbeitungsreihenfolgen informatorischer Fachkonzepte in didaktischen Systemen betrachtet, welche drei Funktionen besitzen. Die Orientierung der Lernenden im Fachgebiet, die Organisation zur Planung von Lehr-Lernprozessen sowie die Diskussion didaktischer Entscheidungen. In diesem Beitrag zur Grundlagenforschung zur Hochschuldidaktik der technischen Informatik steht die Diskussion didaktischer Entscheidungen bei der Gestaltung von Lehr-Lernprozessen und Pfaden der Kompetenzaneignung im Vordergrund. Deshalb werden die Anforderungen an die Darstellung kognitiver Strukturen – Ausdrucksstärke, Übersichtlichkeit und Nachvollziehbarkeit – zugunsten der Diskussion didaktischer Entscheidungen angepasst. Der Autor stellt Forschern zur Hochschuldidaktik der technischen Informatik Konzepte bereit, die es ermöglichen Fachkonzepte und Lehr-Lernprozesse zu analysieren sowie durch Anpassung an institutionelle Besonderheiten theoretisch fundiert zu gestalten. Dies sind insbesondere eine Taxonomie zur Identifikation von Lernhürden, die Methodik zur Ausdifferenzierung von Kompetenzen mit Bezug zu den identifizierten Lernhürden, die Visualisierung kognitiver Strukturen mit diesen Kompetenzen im Zentrum sowie die in der Hauptverantwortung des Autors entwickelte lernunterstützende Software Explorative Learning and Visualization Environment. Diese dient als Beispiel für den Einsatz von Simulationen in Laborpraktika der technischen Informatik. Es wird damit exemplarisch gezeigt, wie die informatikdidaktische Verfeinerung des Kompetenzstrukturmodells in Verbindung mit kognitiven Strukturen und lernförderlicher Software zur Überwindung der mithilfe der entwickelten Taxonomie identifizierten Lernhürden eingesetzt werden können.Today, the education of future developers of embedded systems is characterized by a subjective, culture-specific design of teaching and learning processes. This design, mostly, does not take the results of research on competences into account. There is a consensus that competences – cognitive abilities and skills used to solve specific problems – and competence models are needed to mediate between abstract and concrete educational goals of teaching and learning processes. Therewith, the exploration of competence models and paths of competence acquisition are fundamental research needs for didactics of computer engineering at university. Within this work, based on the results of the project competence development with embedded micro- and nanosystems (KOMINA) funded by the German Research Foundation, approaches for a theoretical foundation of laboratory courses of computer engineering have been developed. Within this thesis, the understanding of embedded systems as a part of computer science curricula has been broadened since it is not limited to computer engineering. While these systems are also suitable as learning objects to promote competences within various computer science disciplines. A taxonomy to foster the comparability of research on didactics of computer engineering is further developed and applied in order to conceive institutional particularities and the versatility of the practice field. The design and application laboratory for embedded systems, developed in the context of KOMINA, is the object of research. Students of computer science are the target group. In addition to the formative evaluation of the developed laboratory the taxonomy enables the identification of typical learning barriers. These findings justify the need for new educational concepts as well as learning software, taking institutional particularities and target group specific knowledge into account. Cognitive structures as a component of Didactic Systems are investigated. As they serve as a basis for the refinement of the empirically evaluated competence structure model for the development of embedded micro- and nanosystems. So far, the sequences of teaching units have been considered in Didactic Systems, which posses three functions. The orientation of the learner in the topic, the organization of the planning of teaching and learning processes as well as the discussion of didactic decisions. In this work, regarding the contribution to basic research on didactics of computer engineering at university, the discussion of didactic decisions in the design of educational processes and paths of competence acquisition has priority. Therefore, the demands on the representation of cognitive structures – expressiveness, clarity and comprehensibility – are adjusted in favor of the discussion of didactic decisions. The author provides concepts which allow researchers to analyze technical concepts as well as to develop educational processes in a theoretically established manner. These are, in particular, a taxonomy to identify learning barriers, the methodology for the differentiation of competences related to the identified learning hurdles, and the visualization of cognitive structures with these competences at center. Additionally, the learning software Exploratory Learning and Visualization Environment, that has been developed with the author’s responsibility, is presented. This software serves as an example for the use of simulations in laboratory courses of computer engineering. Thus, the combination of the refinement of the competence structure model in conjunction with cognitive structures in addition to learning software, which can be applied to overcome the identified learning hurdles, is shown as an example