1 5. DEZ Antrag an den Lehrförderungsfonds. HEINRICH HEINE UNIVf.RSITAT DÜSSfLJ)DRf. 2 Ansprechpartner/in. 1 Antragssteller/in

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1 Heinrich-Haine-Universität Düsseldorf 1 5. DEZ HEINRICH HEINE UNIVf.RSITAT DÜSSfLJ)DRf Antrag an den Lehrförderungsfonds 1 Antragssteller/in Name (Fakultät, Institut, Wissenschaftliche Einrichtung): Prof. Dr. Michael Leuschal Lehrstuhl für Softwaretechnik und Programmiersprachen Institut für Informatik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät der Heinrich-Haine-Universität 2 Ansprechpartner/in Titel: Name: Vorname: Prof. Dr. Leuschal Michael Telefon: Fax: uni-duesseldorf.de Funktion (z.b. Dekan/in, lnstitutsleiter/in): Lehrstuhlinhaber 3 Projektkurzbeschreibung Bezeichnung: Von NANO zu Tetris in 12 Schritten Kurze Beschreibung zu Zielen und Inhalten (ausführlichen Projektbeschreibung an Hand des Leitfadens bitte in den Anhang): Beantragt wird die Förderung zur Durchführung einer einsemestrigen Lehrveranstaltung. Das Projekt vermittelt den Studierenden ein Gesamtbild über die prinzipielle Funktionsweise von Computern. Ausgehend vom dem NANO-Gatter werden alle wichtigen Hardware-Komponenten eines Computers in einer Simulation nachgebaut Für den im Rahmen der Vorlesung entwickelten Computer werden schrittweise eine Assemblersprache, eine Virtuelle Maschine und eine Programmiersprache entwickelt. Mit all diesen Werkzeugen werden schließlich ein einfaches Betriebssystem und Anwendungsprogramme entwickelt. Die eigenständige praktische Anwendung des gelernten soll im Fokus der Veranstaltung liegen. Die Mittel werden beantragt zur Anschaffung der Materialien und der Anpassung Aufarbeitung der Unterlagen und Anpassung an die Anforderung des Informatik Curriculumsand der HHU. Antragssumme (in Euro; max Euro): 8055,27 Euro Beantragter Förderzeitraum (mind. 1 bis max. 2 Semester, Beginn ist immer der Semesteranfang): 1 Semester, ab Sommersemester 2012 Stand: Antrag an den Lehrförderungsfonds Seite 2 von 4

2 Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 4 Erfüllung folgender Kriterien (Mehrfachnennungen möglich, Nachweise werden in der ausführlichen Projektbeschreibung im Anhang geführt) 0 Forschendes Lehren und Lernen 0 Praxisnähe, Anwendungsbezug, Berufsfeldbezogenheit D Internationalisierung D lnterdisziplinarität 0 Vermittlung von Schlüsselqualifikationen 0 Rückkopplung der aktuellen Forschung in die Lehre 0 innovative Lehr-/Lernkonzepteund Prüfungsformen 0 verstärkter Einsatz innovativer Techniken und Lernmaterialien D D methodisch-didaktische Weiterbildung der Lehrenden D D Serviceprojekte für die organisatorische Verbesserung des Studiums Verbesserung der Bedingungen im Hinblick auf Familienfreundlichkeit und Behindertengerechtigkeit Vernetzung von Reformaktivitäten 5 Stellungnahme der gewählten Studierendenvertreter der WE/des Instituts/des Fakultätsrats Ue nach Antragsteller) ;g~ Zustimmung (durch mindestens zwei Unterschriften belegt) ~ separate Stellungnahme ist beigefügt (obligatorisch) Name Unterschrift Name rc.. v,~o0 UJrryfri~ / Unterschrift 6 Unterschrift der Antra stellerin I des Antra stellers Datum: Unterschrift: 7 Ort: Datum: nterschriq ~ Bitte senden Sie den unterschriebenen Antrag an die Abteilung 2.1. (Zusätzlich bitte eine Kopie des unterschriebenen Antrags inkl. Anlage als pdf-dokument an: boedd icker@verwaltu ng.u ni-duesseldorf.de) Anlage: Projektbeschreibung anhand des Leitfadens (max. 5 Seiten, Schriftgröße 11, Schriftart Arial, Absatz 1,5 Zeilen) plus Anhänge (Finanzierungsplan, Stellungnahmen Fachschaft(en), Evaluationsergebnisse) Stand: Antrag an den Lehrförderungsfonds Seite 3 von 4

3 Heinrich-Haine-Universität Düsseldorf Leitfaden 1. Ziele des Projekts 2. Adressierte Zielgruppe(n) 3. Methodisches Vorgehen I Materialeinsatz 4. Darstellung des Mehrwerts 5. Konzept der Nachhaltigkeit 6. Mitteleinsatz Was sind die Ziele des Projekts? Wie ist die Zielgruppe zusammengesetzt? Wie sollen die Ziele erreicht werden? Was ist der Mehrwert des Projekts? Wie kann die Nachhaltigkeit des Projekts sichergestellt werden? Welche Mittel müssen dafür eingesetzt werden? auch LehrzieletBeschreibung der Kompetenzen: Was sollen die Studierenden nachher (besser) können? Wie können sie dies zeigen? Anzahl Verhältnis zur Gesamtheit der Studierenden im Studiengang, in der Fakultät, in dem betreffenden Bereich besondere Gruppen? (z.b. nur Frauen, Studienanfänger, ausl. Studierende,... ) in welcher Studienphase Methoden Material für die Profilbildung der UniversitäUFakultäUFach für die Öffentlichkeitswirksamkeit für die Studienreform Ihres Faches (Bezug zu Evaluation) wie ist das Projekt ins Curriculum eingebunden? nachvollziehbares Folgefinanzierungskonzept Übertragbarkeit des Projekt auf andere (Fach-)Bereiche innerhalb der Universität langfristiger Nutzen für den Fachbereich, die Studierenden,... Bei Personalmittel: welche Aufgaben und Qualifikationen sind für die Erreichung der Projektziele notwendig? bei Sachmitteln: Angebote beifügen ab Einzelwert höher als 410 Euro I. Finanzierungsplan II. Stellungnahmen der Fachschaft(en) 111. Evaluationsergebnisse (optional) Stand: Antrag an den Lehrförderungsfonds Seite 4 von 4

4 Von NANO zu Tetris in 12 Schritten Ziele des Projekts Das Lehrprojekt "Von NANO zu Tetris in 12 Schritten" bietet den Studierenden der Informatik die Gelegenheit, ein tiefergehendes Verständnis der verschiedenen Bestandteile moderner Computer-Systeme und deren Zusammenhänge zu entwickeln. Es werden theoretische und praxisnahe Aspekte kombiniert, um den Studierenden einen Querschnitt diverser Fachbereiche innerhalb der Informatik und deren Interdependenz zu vermitteln. Das Projekt besteht aus einer Vorlesung und einer Übung, die zusammen ein Halbmodul bilden. ln der Vorlesung werden die theoretischen Aspekte und der Entwurf der Komponenten eines Computers - sowohl der Hardware als auch der Software - erörtert. Im Rahmen der Übung entwickeln die Studierenden in Etappen selbständig die in der Vorlesung besprochenen Komponenten, so dass sie am Ende des Semesters alle notwendigen Hardware- und Software-Bestandteile entwickelt haben, die nötig sind, um selbst einen einfachen Computer entwerfen und bauen zu können. Ausgehend von einfachen Komponenten werden nach und nach komplexere Schaltungen und später Software eingeführt, die jeweils auf den in der zurückliegenden Sitzung entwickelten Konzepten beruhen. Gleichzeitig werden in den Übungen die in der Vorlesung besprochenen Konzepte umgesetzt, wobei auch hier die Teilprojekte aufeinander aufbauen, um die eingeführten Zusammenhänge und Abstraktionen zu verdeutlichen und die zu Grunde liegenden Prinzipien nachvollziehbar zu machen. Die Grundlage für dieses Vorgehen bildet das NANO-Gatter, eine einfache Logik Schaltung, auf deren Basis die verschiedenen Komponenten des Computers entworfen und implementiert werden können. Dadurch soll der enge Zusammenhang und der Aufbau der erwähnten Abstraktionen verdeutlicht werden. Die Studienordnungen der Bachelor- und Masterstudiengänge sehen vor, dass die Studierenden im Laufe des Studiums die Fähigkeiten zum abstrakten und kreativen Denken und zum exakten Arbeiten erwerben sollen. 1 2 Durch die selbstständige Auseinandersetzung mit den Inhalten der Veranstaltung und der gewählten 1 Vgl. 1 Abs. 1 der Studienordnung für den Bachelor Studiengang Informatik vom Vgl. 1 Abs. 1 der Studienordnung für den Master Studiengang Informatik vom

5 Form der Wissensvermittlung werden diese Fähigkeiten gestärkt und weiterentwickelt. Die Vorlesung dient darüber hinaus der Vertiefung und der Kontextualisierung der durch das Studium vermittelten Kenntnisse in der Informatik sowohl bezogen auf die Forschung wie auch auf die praktischen Aspekte, die im späteren Berufsleben gefordert werden. Adressierte Zielgruppen Die Veranstaltung richtet sich an Studierende des Bachelorstudiengangs Informatik in der mittleren und fortgeschrittenen Studienphase und Studierende des Masterstudiengangs Informatik aller Semester. Die Teilnehmerzahl wird auf etwa 30 Studierende beschränkt. Methodisches Vorgehen und Materialeinsatz Die Vorlesung basiert auf dem Buch "The Elements of Computing Systems" der israelischen Informatikprofessoren Shimon Schoken und Noam Nissan. Auf diesem Buch beruhende Vorlesungen wurden schon an verschiedenen Universitäten weltweit gehalten und erfreuen sich hoher Akzeptanz und Beliebtheit bei den Studierenden. Der Struktur des Lehrbuches folgend werden, angefangen bei einfachen Schaltkreisen, nach und nach die verschiedenen Komponenten moderner Computer wie Prozessor, Speicher, Eingabegeräte sowie die Einheiten wie Assembler, Compiler und Betriebssystem auf einer abstrakten Ebene besprochen. Die Struktur der Vorlesung und der dazugehörigen Projektabschnitte gestaltet sich wie folgt: Boolesche Logik Boolesche Arithmetik Sequentielle Logik Maschinensprache Computer-Architektur Assembler Virtuelle Maschine I Implementieren einfacher Gatter Implementieren komplexerer Chips Implementieren sequentieller Chips wie Flip-Flop, Register und RAM Entwickeln von einfachen Programmen in Maschinensprache Implementierung einer CPU sowie Verbindung zu Speicher, Ein- und Ausgabegeräten (Tastatur, Display) Implementieren eines Assemblers, der die Assemblersprache des Computers in eine binäre Repräsentation übersetzt Implementierung einer Stack-basierenden virtuellen Maschine mit einfachen Operationen

6 Virtuelle Maschine II Hochsprache Compiler I: Syntax Analyse Compiler II: Code- Generierung Betriebssystem Erweiterung der virtuellen Maschine um Kontrollfluss Einführung in die Jack-Programmiersprache und Entwicklung einfacher Programme in dieser Sprache Entwicklung eines Parsers für die Jack-Programmiersprache Entwicklung eines Compilers durch Ergänzen des Parsers mit einem Codegenerator Implementierung eines einfachen Betriebssystems für die entwickelte Hardware Neben der theoretischen Auseinandersetzung mit den diversen Aspekten des Computers werden die Studierenden im Rahmen der Übungen die in der Vorlesung besprochenen Komponenten selbst entwickeln. Der Kurs teilt sich in zwei Kernbereiche auf, einerseits die Beschäftigung mit der Hardware und andererseits der Arbeit mit der Software. Im ersten Teil des Kurses entwerfen die Studierenden schrittweise Hardwarekomponenten eines typischen Computers und können ihre Entwürfe mit Hilfe einer Simulation testen. Im zweiten Teil wird in Etappen die Software entwickelt, um Programme auf der selbstentworfenen Hardware auszuführen. Die Veranstaltung beginnt mit einer Einführung in den Entwurf der Hardware, die für einen Computer benötigt wird. Ausgehend von NANO-Gattern werden Schaltkreise konstruiert, aus denen sich ein Prozessor sowie Speicherbausteine zusammensetzen. ln späteren Sitzungen werden für diesen Prozessor ein Assembler und eine virtuelle Maschine entwickelt, die es im letzten Drittel des Semesters erlauben, für den Computer eine Hochsprache und eine einfaches Betriebssystem zu programmieren und schließlich einfache Anwendungen mit grafischer Ausgabe zu entwickeln. Darstellung des Mehrwerts Bei dem vorgestellten Lehrkonzept handelt es sich um ein erfolgreiches und populäres Konzept für die Lehre der Informatik und der Vermittlung der Zusammenhänge über die Grenzen der einzelnen Module/Fachbereiche hinaus, in dem die Studierenden im Laufe des Semesters alle Bestandteile eines Computers entwerfen und bauen. Zwar wird dieses

7 innovative Lehrkonzept international an verschiedenen Universitäten eingesetzt, uns ist jedoch keine weitere Universität in Deutschland bekannt, die dieses Konzept anwendet. Sowohl das Lehrkonzept als auch die Ergebnisse, insbesondere die entwickelte Hardware, werden am Tag der Lehre vorgestellt, um das Interesse der Besucher und zukünftiger Studierender an den Studienangeboten der Informatik zu wecken. Durch seine praktischen Aspekte ist dieses Lehrkonzept darüberhinausgehend dazu geeignet, im Rahmen von Besuchen an Schulen das Interesse am Fach Informatik zu wecken. Die Vorlesung ergänzt das Curriculum im Bereich der Technischen Informatik und könnte bei positiver Resonanz auch fester Bestandteil dessen werden. Konzept der Nachhaltigkeit Die Nachhaltigkeit dieses Projekts ergibt sich im Wesentlichen aus zwei Punkten: Zum einem sollen die Veranstaltungen des Lehrprojektes bei einer positiven Evaluation der Studierenden in folgenden Semestern wieder angeboten werden. Durch die beantragte Anschaffung der Lehrund Übungsmaterialien ist die Ausstattung für zukünftige Wiederholungen der Veranstaltung vorbereitet. Zum anderen soll durch den vertikalen Aufbau der Vorlesung bei den Teilnehmenden ein besseres Verständnis des Gesamtaufbaus von Computersystemen hergestellt werden. Dieses Verständnis kann es den Studierenden erleichtern, weitergehendes Wissen im Rahmen weiterführender Lehrveranstaltungen besser zu kontextualisieren. Mitteleinsatz Es werden Mittel beantragt, um eine wissenschaftliche Hilfskraft einzustellen und Sachmittel für die Anschaffung von Hardware-Lernbausätzen sowie des Lehrbuches "The Elements of Computing Systems", welches die Grundlage der Veranstaltung bildet. Das Lehrbuch soll für die Lehrbuchsammlung der Universitätsbibliothek angeschafft werden, so dass es den Studierenden in Zukunft zur Verfügung steht. Zusätzlich sollen 15 Bausets angeschafft werden, damit die Studierenden die Möglichkeit haben, die Schaltkreise nicht nur theoretisch zu entwerfen, sondern selbst zu bauen und experimentell zu erschließen.

8 Die wissenschaftliche Hilfskraft soll die Vorlesungsunterlagen von Schocken und Nissan im Hinblick auf das Informatik-Curriculum an der Heinrich-Heine-Universität anpassen und die Übungseinheiten, die im Buch ausschließlich auf die Simulation abzielen, auf die Verwendung der Bausets hin ergänzen. Darüber hinaus soll die wissenschaftliche Hilfskraft an der Betreuung der Studierenden im Rahmen der praktischen Übungen mitwirken. 1 wissenschaftliche Hilfskraft für ein Semester 7192,02 Anschaffung von 15 "Conrad Special-Lernpaket Digitale 224,25 Elektronik" Lernbausätzen a 14,95 Anschaffungskosten für 30 Ausgaben des Lehrbuches TECS a ,30 Gesamt 8055,27 Die Personalkosten für die wissenschaftliche Vorbereitung, Durchführung und Betreuung der Lehrveranstaltung werden aus den Haushaltsmitteln des Lehrstuhls für Softwaretechnik und Programmiersprachen finanziert.

9 FACHSCHAFT INFORMATIK UNIVERSITÄTSSTRASSE DüSSELDORF DATUM 14. Dezember 2011 Stellungnahme der Fachschaft Informatik zum Antrag "From NAND to Tetris in 12 Steps" für Lehrförderungsfonds Sommersemester 2012 Die Fachschaft Informatik unterstützt den Lehrmittelantrag für die Vorlesung "From NAND to Tetris in 12 Steps". Es gibt schon länger einen Bedarffür eine Vorlesung die einen "roten Faden" durch die verschiedenen Kurse der Informatik aufzeigt. Die Vorlesung "From NAND to Tetris" deckt hier einen breiten Bereich der Informatik ab: Von der untersten Ebene der Schaltkreise bis zu Betriebssystemen wird aufgezeigt wie jede Ebene mit der darunterliegenden zusammenhängt. Das Konzept scheint uns hier besonders erfolgversprechend da der Kurs auf einem Buch und Lernkonzept aufbaut das weltweit schon mehrfach erprobt wurde. 4, ~ct~~),_. Alexander Schneider ~.. [/~v(' Matthias Knaup Telefon: HTTP: fscs@uni-duesseldorf.de /hhu-fscs.de