Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht

Transkript

1 Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht Marco Thomas Universität Potsdam Didaktik der Informatik Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 1

2 Verlaufsplan Einführung: Informatische Modelle Modelle und Werkzeuge Teil 1 10:15 Uhr Beispiele unter Anleitung nachvollziehen PAUSE Modelle und Werkzeuge Teil 2 11:35 Bewertung ausgewählter Werkzeuge Zusammenfassung MITTAGESSEN 13:00 Beginn der Vorträge im Hörsaal 2 14:15 Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 2

3 Leitlinien zur Informatischen Bildung GI-Empfehlung (2000): Interaktion mit Informatiksystemen Wirkprinzipien von Informatiksystemen Informatische Modellierung Wechselwirkungen zwischen Informatiksystemen, Individuum und Gesellschaft Informatikunterricht = Fundament einer Informatischen Bildung! Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 3

4 Informatische Modellbildung zur Enkulturation des Modellierens von Modellen Informatische Modelle sind ein Bildungsgut! Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 4

5 Modelle in der Fachsprache (reduziert) Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 5

6 Modelltypen in der Fachsprache mit Beispielen Architekturmodelle Vorgehensmodelle Entwurfsmodelle Untersuchungsmodelle Mentale Modelle Von-Neumann, MIMD, neuronales Netz Turingmaschine, Automaten Client-Server, OSI-Schichten Imperatives und deklaratives Konzept Wasserfallmodell Prototypen- und evolutionäres Modell Objektorientierte Modellierung Aufgabenmodell / Anforderungsanalyse Modellierungssprachen (Struktogramm, UML,...) Datenmodelle (hierarchisches, relationales,...) Analyse (Verifikation, O Kalkül) Simulation (Blackbox und Whitebox Testen) Metaphern Konzeptuelle Modelle Fundamentale Ideen Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 6

7 Allgemeine Modelltheorie (AMT) (Apostel, Suppes, Stachowiak, u.a.) Präterition Kontrastierung Original Transkodierung Abundanz Modell Subjekt Zweck Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 7

8 Graphische Modelle Vielfalt der Modelle Bild, Abbild Monitorbild(-folgen) Holographie Bildmodelle (ikonisch) Teilschematische Abbildung Piktogramm Computerkunst Vollschematische Abbildung CAD-Darstellung Gitterdarstellung Diagramm Performance-Chart Excel-Diagramm Darstellungsmodelle (symbolisch) Darstellungsgraph ER-Datenmodell Suchbaum Syntaxdiagramm Fluidogramm AMT: graphische technische Modelle semantische Physikotechnisches Flussdiagramm Zustandsdiagramm Struktogramm Organogramm Datenflussdiagramm Petri-Netz Physikotechnische Modelle Flussdiagramm Soziogramm Interaktionsdiagramm Kollaborationsdiagramm Biotechnische Modelle Gedächtnischip Kohlenstoff-Stäbchen DNA Technische Modelle Psychotechnische Modelle Tele-Learning CSCW Vollständiges Schaltbild logische Schaltgatterpläne Schaltbild Blockschaltbild zur Von-Neumann-Architektur Turingmaschine Soziotechnische Modelle Mensch-Maschine-Kommunikation Office-Modell Softwareergonomie Datenschutz Agenten Modellketten, d.h. Modellieren von Modellen Statisch-mechanisches Modell Antike Tontafel Napier-Stäbchen Abakus Lochkarte Mechanische Modelle Dynamisch-mechanisches Modell Jacquard-Webstuhl Rechenmaschine Pascals Schreibpuppe von JaquetDroz Elektrotechnische Modelle Elektromechanisches Modell Hollerith-Zählmaschine Drucker Elektron. Funktionsmodell Roboterarm Integrierte Schaltkreise Elektronische Modelle Computermodell laufendes Programm Prozess Elektro-chemisches Modell Quantencomputer Kohlenstoff-Stäbchen 0.Stufe materielle Information Signale, Daten 1.Stufe Perzeptionsmodelle informationelle Sichtweise Schemata zu technischen Funktionsweisen Interne semantische Modelle Semantische Modelle Kogitative Modelle fundamentale Ideen "abstrakte Automat" 2.Stufe Externe semantische Modelle (sprech-)sprachlich schriftsprachlich Algorithmus fachsprachlich Anforderungsdefinition Vorgehensmodelle Spezifikation maschinensprachlich formale Sprachen Programmiersprache Fachbegriffe Assembler Abb. 11 Zuordnung von informatischen Modellen zur Systematik der AMT von Stachowiak Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 8

9 Einige informatische Modelle zur AMT Modelltypen der AMT Graphische Modelle Technische Modelle Semantische Modelle Informatische Modelle Piktogramm Entity-Relationship-Datenmodell Schaltsymbolik Lochkarte Hollerith-Zählmaschine BSCW Daten, Signale Fundamentale Ideen Formale Sprachen Programmiersprachen Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 9

10 Allgemeine Zwecke von Modellbildung nach Wüstneck (1963) logische Modellierung erkenntnistheoretische Modellierung technische Modellierung maschinelle Modellierung logische Programmierung Modellketten Sprachverarbeitung Simulation Testen Verifikation Robotik KI Virtuelle Welten Entwurfsmodelle Architekturmodelle Software Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 10

11 Im engeren Sinne: Modell-bildungs-werkzeug Hilfsmittel zur Erstellung oder Erzeugung eines (informatischen) Modells z.b. Programmiersprache => Programm Im weiteren Sinne (Modelllernwerkzeug): Hilfsmittel zur Auseinandersetzung mit einem Modell vorläufig auch: interaktive Simulation von Modellen z.b. Turingmaschinensimulator => TM-Vorstellung Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 11

12 Modellbildungswerkzeuge verschiedene Arten Informatischer Modellierung Unterstützung durch Werkzeuge Kostenlos oder kostengünstig Eignung für den Unterricht => Sammlung Modell Modelltyp Zweck des Modells Werkzeug(e) Unterrichtsbeispiel(e) Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 12

13 Objektorientierte Sichtweise Modelltyp Zweck des Modells Mental, intern-semantisch Erfassen und Strukturieren eines (realen) Systems, das aus abgrenzbaren Objekten und deren Interaktion aufgefasst wird. Werkzeug(e) LEO ( BlueJ ( Unterrichtsbeispiel(e) Barnes, D.J.: Objektorientierte Programmierung mit Java... mit BlueJ. Pearson Education 2003 Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 13

14 *LEO Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 14

15 *BlueJ Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 15

16 Struktogramm Modelltyp Zweck des Modells Entwurf und Untersuchung, grafisch-symbolisch Strukturierte Darstellung von imperativen Programmteilen Anschauliche Ausgangsbasis zur Verifikation Werkzeug(e) StruktEd ( Unterrichtsbeispiel(e) Baumann, R.: Informatik für die Sekundarstufe II home.arcor.de/rkrell/if-javascript2.htm LOGIN 21/2000 H.2 S. 27f (Verifikation)... Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 16

17 *StruktEd Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 17

18 ER-Modell Modelltyp Zweck des Modells Werkzeug(e) Unterrichtsbeispiel(e) Entwurf, graphisch-darstellend Abbildung der Daten von abgrenzbaren Elementen einer Welt mit ihren Beziehungen und charakteristischen Größen; Grundlage für viele Anwendungen DIA ( Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 18

19 *DIA Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 19

20 UML-Diagramme Modelltyp Zweck des Modells Werkzeug(e) Unterrichtsbeispiel(e) Tutorial zur UML Entwurf, grafisch-symbolisch Entwurf von komplexer Software und Kommunikation über diese Violet (horstmann.com/violet/) UMLed ( Fujaba (life.upb.de), Poseidon life.upb.de/ ivs.cs.uni-magdeburg.de/~dumke/uml/index.htm Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 20

21 *Violet Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 21

22 *UMLed für Delphi Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 22

23 *Fujaba, Poseidon für Java Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 23

24 Virtuelle Welt Modelltyp Zweck des Modells Werkzeug(e) ikonisch Dem Menschen die optische Wahrnehmung in einer Scheinwelt ermöglichen und mit dieser zu interagieren, um z.b. neue Erkenntnisse zu gewinnen oder die Verwendung von Diensten zu erleichtern. VRML (div. Browser-Plugins) Unterrichtsbeispiel(e) Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 24

25 *VRML Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 25

26 Roboter Modelltyp Zweck des Modells Werkzeug(e) Unterrichtsbeispiel(e) elektrotechnisch-elektronisch Arbeitsweisen und Tätigkeiten des Menschen nachbilden, um Aufgaben autonom und selbstständig bearbeiten zu können. LegoMindstorms (mindstorms.lego.com/eng/default.asp) Fischertechnik Computing ( Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 26

27 *LegoMindstorms Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 27

28 *Fischertechnik Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 28

29 - Beispiele in diesem Workshop - Objektorientiertes Zeichnen Das Abenteuer Zuul Virtuelle Welten Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 29

30 Schaltwerk (Schaltplan) Modelltyp Zweck des Modells Architektur, elektrotechnisch Verarbeitung von Information in digitaler Form. basierend auf der Schaltalgebra, Schaltsymbolen und dem Dualsystem Werkzeug(e) DigitalSimulator ( weitere unter der obigen Adresse Unterrichtsbeispiel(e) Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 30

31 *DigitalSimulator Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 31

32 Höhere Programmiersprache Modelltyp Zweck des Modells Entwurf, extern-semantisch Im engeren Sinne zur Formulierung von Rechenvorschriften. Im allgemeineren Sinne zur Formulierung von informationsverarbeitenden Prozessabläufen in fachsprachlicher Notation. Werkzeug(e) Java (java.sun.com) Unterrichtsbeispiel(e) rammiersprachen Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 32

33 *Java public class Allgemein { private int x; public Allgemein() { x = 0; } public int samplemethod(int y) { return x + y; } } Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 33

34 Arbeitsweise eines Mikroprozessors (von-neumann-architektur) Modelltyp Zweck des Modells Mental, intern-semantisch Konzept zum Aufbau eines universellen Rechners, der technischen, wissenschaftlichen und kommerziellen Anforderungen gerecht wird. Werkzeug(e) DC ( RSIRechner (informatikag.bildung-rp.de) Unterrichtsbeispiel(e) Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 34

35 *DC Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 35

36 *RSIRechner Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 36

37 Turingprogramm/-maschine Modelltyp Zweck des Modells Werkzeug(e) Architektur, Entwurf, Untersuchung, Mental extern-semantisch 1936 von Alan Turing zur Untersuchung der Entscheidbarkeit mathematischer Probleme entworfen, bildet die Turingmaschine in ihrer universellen Form einerseits die menschlichen Basiselemente zur Bearbeitung von intuitiv berechenbaren Funktionen ab und begründet andererseits den Computer als universelle symbolverarbeitende Maschine. Turing Maschine Unterrichtsbeispiel(e) Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 37

38 *Turingmaschine Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 38

39 *Turingmaschine2 Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 39

40 Simulationsmodell Modelltyp Zweck des Modells Computermodell (nach AMT) Erkenntnisgewinn zu komplexen dynamischen Systemen Werkzeug(e) Unterrichtsbeispiel(e) Dynasys ( Powersim Excel, Works Programmiersprachen im Allgemeinen bildung Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 40

41 *Dynasys Zustandsgleichungen Hasen.neu <-- Hasen.alt + dt*(hasen_zuwachs-hasen_abnahme) Startwert Hasen = 200 Fuechse.neu <-- Fuechse.alt + dt*(fuchs_zunahme-fuchs_abnahme) Startwert Fuechse = 50 Zustandsänderungen Hasen_Zuwachs = 0.001*Hasen*freie_Weide*Geburtenkoeff Hasen_Abnahme = 0.002*Treffen Fuchs_Zunahme = *Treffen Fuchs_Abnahme = Energieverlust*Fuechse Konstanten Energieverlust = 0.2 Geburtenkoeff = 0.08 Weidekap = Wenn(Zeit<100;2000;500) Zwischenwerte Treffen = Hasen*Fuechse freie_weide = Weidekap-Hasen Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 41

42 CSCW - Kooperatives Arbeiten Modelltyp Zweck des Modells soziotechnisch Dient der Unterstützung zwischenmenschlicher Arbeitsprozesse mit ihren Kommunikationsformen mittels eines Informatiksystem. Werkzeug(e) BSCW Office-Pakete Unterrichtsbeispiel(e)?? Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 42

43 *BSCW Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 43

44 *Office-Software Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 44

45 MindMap Modelltyp Zweck des Modells Vorgehen, Planung graphisch,semantisch Bildet die kognitive Vernetzung von Begriffen einer Projektgruppe in eine Darstellung ab. Werkzeug(e) MindManager ( Unterrichtsbeispiel(e)? Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 45

46 *MindManager Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 46

47 ?? Modelltyp (Elektro-)Mechanisch Zweck des Modells Werkzeug(e) Fischertechnik? Lego? Unterrichtsbeispiel(e) Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 47

48 - Bewertung ausgewählter Werkzeuge - Aufgaben: a) Experimentieren Sie mit einem der Werkzeuge. b) Schreiben Sie auf, in welchem Unterrichtskontext das Werkzeug einsetzbar ist. c) Was ist bei dem Einsatz des Werkzeug zu beachten? d) Notieren Sie andere informatische Modelle, Werkzeuge oder Unterrichtsbeispiele zu einer Leitlinie Informatische Modellbildung. Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 48

49 Zusammenfassung Gegeben: - These der Enkulturation des Modellierens von Modellen - Zahlreiche informatische Modelle und Modellbildungswerkzeuge Gesucht: - Weitere Modellbildungswerkzeuge für informatische Modelle - Unterrichtssequenzen und Erfahrungsberichte zum IU - Transfer informatischen Modellierens auf andere Kontexte Ergebnisse: Systematiken hilfreich, um ein vollständiges Bild der Wissenschaft Informatik bei den Schüler zu erzielen Informatische Modellbildung ist allgemeinbildende Leitlinie Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 49

50 HyFisch Sammelt unter Benötigt ihre Mit- und Zuarbeit: FIN Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB FU Berlin - Folie 50