Didaktik der Informatik Vorlesung

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1 Didaktik der Informatik Vorlesung StD Dipl.-Inform. Dr. rer. nat. L. Humbert Fachgebiet Didaktik der Informatik Fachbereich C Universität Wuppertal L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

2 Gliederung 1 Informatikunterricht Beispielszenarien Einordnung 2 Szenarien Oberstufe Ziele des Informatikunterrichts in der gymnasialen Oberstufe Vision Basis Kontext 3 Beispiele Oberstufe Unterrichtskonzept Stifte & Mäuse (SuM) Beispiellage SuM Objektorientierte Modellierung (OOM) L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

3 Einordnung Informatikunterricht Beispielszenarien Einordnung Kapitel in [Humbert 2006] 1 Einleitung und Motivation Was ist Informatik? 1, 2 2 Grundfragen des Lernens 3 3 Schulinformatik Entwicklungslinien 4 4 Schulinformatik Standards, EPA, Zentralabitur 4 5 Informatikunterricht besondere Methoden 5 6 Informatikunterrichtsplanung Vorgehensmodelle 6 7 Informatikunterrichtsplanung 6, 7 8 Informatikunterricht Beispielszenarien 7 9 Informatikunterricht Leistungsmessung 8 10 Genderdiskussion 9 11 Moralisch-ethische Aspekte 9 12 Professionalisierung 10 L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

4 Szenarien Oberstufe Ziele des Informatikunterrichts in der gymnasialen Oberstufe Ziele gymnasiale Oberstufe Allgemeine Bildung plus Propädeutik im Fach Input: [noch] gültige Richtlinien und Lehrplan öffentlich verfügbar [MSWWF 1999] hier steht zu erwarten, dass der Lehrplan Informatik bald überarbeitet wird, da er Elemente enthält, die bezüglich des Zentralabiturs als nicht mehr zielführend betrachtet werden [müssen] Output: Zentralabitur Aufgabenbeispiele und Rahmenvorgaben (zur Zeit für 2007, 2008, 2009) öffentlich verfügbar Abitur 2007 [van Briel (federführend) u. a. 2005] geprüft: 15. Mai 2007 Abitur 2008/ geprüft: 15. Mai 2007 L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

5 [Puhlmann 2005, S. 79] informatische Allgemeinbildung Stell dir eine Schule vor, in der alle Schülerinnen und Schüler hervorragenden Informatikunterricht erhalten. Der Unterricht wird von Lehrerinnen und Lehrern erteilt, die eine fundierte Informatikausbildung haben und die zugleich wissen, wie Informatikinhalte Kindern und Jugendlichen nahe gebracht werden können. Ihnen stehen angemessene Arbeits- und Unterrichtsmittel zur Verfügung, die es erlauben, wichtige Informatikinhalte in methodischer Vielfalt zu behandeln und informatische Kompetenzen bei den Schülerinnen und Schülern zu entwickeln. Dabei sind die Anforderungen durchaus hoch, aber die Schülerinnen und Schüler werden damit nicht alleine gelassen, sondern nach ihren Bedürfnissen unterstützt. So zeigen die Schülerinnen und Schüler großes Engagement, lernen mit Verständnis, erkennen Verbindungen zwischen verschiedenen informatischen Fragestellungen, tauschen sich untereinander über Informatik aus und können Überlegungen und Arbeitsergebnisse mündlich und schriftlich gut verständlich mitteilen. Dabei nutzen sie selbstverständlich Computer sowohl als Gegenstand des Unterrichts als auch als Arbeitsmittel zur Informationsdarstellung und zum Informationsaustausch. Diese Kompetenzen kommen auch ihrer übrigen schulischen Arbeit zugute. So schätzen die Schülerinnen und Schüler das Fach Informatik und engagieren sich stark, um ihr Wissen und ihre Kompetenzen zu mehren.

6 Szenarien Oberstufe Basis Kontext Basis Kontext im Rahmen der Vorlesungen Informatische Phänomene verstehen (vgl. [Humbert und Puhlmann 2005]) Spiralprinzip (vgl. Vorlesung 2) Probleme lösen als zentraler Ausgangs- und Zielpunkt des Informatikunterrichts (vgl. Vorlesung 5) Projektorientierung als methodische Voraussetzung zur Bearbeitung echter Problemstellungen in der Informatik und im Informatikunterricht (s. v.) Modellieren und Konstruieren sowie Analysieren und Bewerten (vgl. Vorlesung 7) L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

7 Beispiele Oberstufe Das Konzept Stifte & Mäuse Unterrichtskonzept Stifte & Mäuse (SuM) Materialien [Czischke u. a. 1999] vom Landesinstitut Soest 1999 an alle Schulen mit gymnasialer Oberstufe ausgeliefert Einige wenige Fortbildungen der Bezirksregierungen für Kolleginnen in den Folgejahren Schulbuch dreibändige Ausgabe für die Jahrgänge 11, 12 und 13 verfügbar: [Schriek 2005, Schriek 2006] geplant: Band III (voraussichtlich Sommer/Herbst 2007) L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

8 Beispiele Oberstufe Unterrichtskonzept Stifte & Mäuse (SuM) Details SuM Klassenbibliothek Anforderungen (Ende der 90ger) Didaktisch gestaltet»make it as simple as possible, but not simpler«(einstein) Programmiersprachenunabhängigkeit Betriebssystemunabhängigkeit Klassen Einstiegsphase Bildschirm Tastatur Maus Stift Buntstift Sprite (Python) Implementierung (zeitliche Abfolge) Oberon[-2] Object Pascal (Macintosh) Object Pascal (Window) einige Jahre später Java, Python L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

9 Beispiele Oberstufe Beispiellage SuM Beispiele SuM Problem Lehrperson, die die Objektorientierte Modellierung (noch) nicht kennt Lösung [sehr zu?] einfach[st]e Beispiele, die aufbauend nach und nach Schreibweise(n) und Konzepte einführen Synthese Lehrpersonen vernünftig qualifizieren Kritik Modellierung trivial, Modellierung fachlich (mindestens) diskussionswürdig Beispiel aus SuM vgl. Original [Czischke u. a. 1999, S. 49] Pseudosprache Humbert Struktogrammdarstellung Schriek [Schriek 2005, S. 25, 33, 37] Java Linkweiler [Linkweiler 2002] Python L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

10 Pseudosprache Beispiele Oberstufe Beispiellage SuM Beispiel nach [Czischke u. a. 1999, S. 49] Kontext: Kontrollstrukturen Freihandzeichnen und Radieren 1 S t i f t. hebe d i c h 2 Wiederhole 3 Wenn Maus. meldet Mausknopf i s t gedrückt, dann 4 S t i f t. bewege d i c h z u r M a u s p o s i t i o n 5 S t i f t. senke d i c h 6 s o n s t 7 S t i f t. hebe d i c h 8 Wenn T a s t a t u r. meldet Taste wurde gedrückt, dann 9 S t i f t. wähle Radiermodus 10 b i s Maus. meldet Mausknopf wird d o p p e l t g e k l i c k t Unschön: die Bezeichner der verwendeten Objekte haben einen großen Anfangsbuchstaben dies ist verwirrend, da üblicherweise Objekte mit einem kleinen Buchstaben beginnen, aber für Klassen als erstes ein Großbuchstabe verwendet wird. L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

11 Struktogramm Beispiele Oberstufe Beispiellage SuM Umsetzung der Pseudosprache mit den durch die Klassenbibliothek zur Verfügung stehenden Methoden hatstift.hoch() not hatmaus.doppelklick().. hatmaus.istgedrueckt()? Ja hatstift.bewegebis(hatmaus.hposition(),hatmaus.vposition()) hatstift.runter() Nein hatstift.hoch().. hattastatur.wurdegedrueckt()? Ja hatstift.radiere() hatbildschirm.gibfrei() Nein Die Objektbezeichner dokumentieren, dass hier eine Objektstruktur mit hat-beziehungen (Kompositionen) nahegelegt wird L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

12 Java (1/2) Beispiele Oberstufe Beispiellage SuM 1 import sum. k e r n. B i l d s c h i r m ; 2 import sum. k e r n. S t i f t ; 3 import sum. k e r n. Maus ; 4 import sum. k e r n. T a s t a t u r ; 5 6 p u b l i c c l a s s S t a r t F r e i h a n d 5 7 { 8 B i l d s c h i r m h a t B i l d s c h i r m ; 9 S t i f t h a t S t i f t ; 10 Maus hatmaus ; 11 T a s t a t u r h a t T a s t a t u r ; p u b l i c S t a r t F r e i h a n d 5 ( ) ; 14 { 15 h a t B i l d s c h i r m = new B i l d s c h i r m ( ) ; 16 h a t S t i f t = new S t i f t ( ) ; 17 hatmaus = new Maus ( ) ; 18 h a t T a s t a t u r = new T a s t a t u r ( ) ; 19 } L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

13 Java (2/2) Beispiele Oberstufe Beispiellage SuM 21 p u b l i c v o i d f u e h r e A u s ( ) ; 22 { 23 h a t S t i f t. hoch ( ) ; 24 do 25 { 26 i f ( hatmaus. i s t G e d r u e c k t ( ) ) 27 { 28 h a t S t i f t. bewegebis ( hatmaus. h P o s i t i o n ( ), hatmaus. v P o s i t i o n ( ) ) ; 29 h a t S t i f t. r u n t e r ( ) ; 30 } 31 e l s e 32 { 33 h a t S t i f t. hoch ( ) ; 34 } 35 i f ( h a t T a s t a t u r. wurdegedrueckt ( ) ) 36 { 37 h a t S t i f t. r a d i e r e ( ) ; 38 } 39 } w h i l e (! hatmaus. d o p p e l K l i c k ( ) ) ; 40 h a t B i l d s c h i r m. g i b F r e i ( ) ; 41 } } L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

14 Python Beispiele Oberstufe Beispiellage SuM 1 from sum import B i l d s c h i r m, S t i f t, Maus, T a s t a t u r 2 h a t B i l d s c h i r m= B i l d s c h i r m ( ) 3 h a t S t i f t= S t i f t ( h a t B i l d s c h i r m ) 4 hatmaus= Maus ( h a t B i l d s c h i r m ) 5 h a t T a s t a t u r= T a s t a t u r ( h a t B i l d s c h i r m ) 6 7 h a t S t i f t. hoch ( ) 8 w h i l e not hatmaus. d o p p e l K l i c k ( ) : 9 i f hatmaus. i s t G e d r u e c k t ( ) : 10 h a t S t i f t. bewegebis ( hatmaus. h P o s i t i o n ( ), 11 hatmaus. v P o s i t i o n ( ) ) 12 h a t S t i f t. r u n t e r ( ) 13 e l s e : 14 h a t S t i f t. hoch ( ) 15 i f h a t T a s t a t u r. wurdegedrueckt ( ) : 16 h a t S t i f t. r a d i e r e ( ) h a t B i l d s c h i r m. g i b F r e i ( ) L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

15 Beispiele Oberstufe Objektorientierte Modellierung (OOM) OOM unter Benutzung der Klassenbibliothek 1 Zeichnen»Malen mit der Maus«2 Login-Vorgang als Einstieg [Eickhoff u. a. 2005] benötigt zusätzlich die Klasse Rahmen 3 Bücherkauf [Humbert 2006a] unveröffentlicht 4... dieser Zug hat Verspätung [Boettcher u. a. 2007] 1 ist gemessen an didaktischen Kriterien, wie Lebensweltbezug usw. in einen größeren Kontext einzubinden (z. B. CAD-System) gehen von einer realweltlichen Erfahrung aus werden als Modellierungsaufgaben betrachtet, bearbeitet und führen nicht zu der Klassenstruktur, wie sie durch das Konzept SuM vorgegeben wird, sondern zu einer fachlich zu modellierenden Problemsicht. Im Zusammenhang mit konkreten Darstellungen wird die Klassenstruktur aus dem Konzept SuM benutzt. Die Klassenbibliothek wird primär als Hilfsmittel für grafische Darstellungen genutzt. L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

16 Beispiele Oberstufe Objektorientierte Modellierung (OOM) OOM Modellierung von 1 mit den Klassen aus SuM Klassenstruktur Zeichner init fuehreaus Zeichner4 fuehreaus Bildschirm Tastatur Buntstift Maus Klassenbeziehungen Zeichner4 (Unterklasse) erbt von Zeichner (Oberklasse) Pfeil gemäß UML-Notation: offenes Dreieck zeigt auf die Oberklasse Zeichner (Ganzes) hat Bildschirm, Maus usw. diese Klassenbeziehung wird fachlich als Komposition bezeichnet existenzabhängig, d. h. Zeichner ist für die Erzeugung und den Abbau verantwortlich die gefüllte Raute zeigt auf das Ganze L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

17 Beispiele Oberstufe Objektorientierte Modellierung (OOM) OOM Implementierung von 1 mit den Klassen aus SuM 1 from F r e i h a n d import Z e i c h n e r 2 3 c l a s s Z e i c h n e r 4 ( Z e i c h n e r ) : 4 5 d e f f u e h r e A u s ( s e l f ) : 6 w h i l e not s e l f. hatmaus. d o p p e l K l i c k ( ) : 7 s e l f. h a t B u n t s t i f t. hoch ( ) 8 i f s e l f. hatmaus. i s t G e d r u e c k t ( ) : 9 s e l f. h a t B u n t s t i f t. r u n t e r ( ) 10 s e l f. h a t B u n t s t i f t. bewegebis ( s e l f. hatmaus. h P o s i t i o n ( ), 11 s e l f. hatmaus. v P o s i t i o n ( ) ) 12 s e l f. d e r B i l d s c h i r m. g i b F r e i ( ) i f name ==" main " : 15 d e r Z e i c h n e r= Z e i c h n e r 4 ( ) 16 d e r Z e i c h n e r. f u e h r e A u s ( ) Problem: bei den meisten der vorgeschlagenen Beispiele wird immer genau ein Objekt jeder Klasse instanziiert dies widerspricht aktuellen Studien zum Lernen objektorientierter Konzepte L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

18 Beispiele Oberstufe Objektorientierte Modellierung (OOM) OOM Alternative 3 zunächst»richtige Modellierung«Problemstellung Sie befinden sich bei der Buchhändlerin Ihres Vertrauens und möchten zwei Bücher erwerben: eines der Bücher soll sich mit einem Thema beschäftigen, das mit Informatik zusammenhängt, das zweite soll der Entspannung dienen. Arbeitsauftrag Geben Sie die Objekte an, die in der Problemstellung auftreten. Identifizieren Sie Attribute, die die Objekte für die Lösung der Aufgabe kennzeichnen. Überlegen Sie, über welche Methoden die Objekte»von sich aus«verfügen müssen, damit das Problem einer Lösung zugeführt werden kann. L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

19 Beispiele Oberstufe Objektorientierte Modellierung (OOM) OOM Alternative 3 zunächst»richtige Modellierung«Objekte Attribute (und Attributwerte) Methode(n) buchhaendlerin Ort= BUCHHANDLUNG verkaufebuch( buch ) informatikbuch Thema=INFORMATIK bingelesen() entspannungsbuch Thema=ENTSPANNUNG bingelesen() kunde Ort= BUCHHANDLUNG erwirbbuch( buch ) L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

20 Beispiele Oberstufe Modellierung 3 Objektkarten Objektorientierte Modellierung (OOM) buchhaendlerin Ort= BUCHHANDLUNG... verkaufebuch( buch ) informatikbuch Thema= INFORMATIK... bingelesen() entspannungsbuch Thema= ENTSPANNUNG... bingelesen() kunde Ort= BUCHHANDLUNG Vertrauen=... erwirbbuch( buch ) L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

21 Beispiele Oberstufe Modellierung 3 Sequenzdiagramm Objektorientierte Modellierung (OOM) kunde buchhaendlerin informatikbuch entspannungsbuch erwirbbuch(informatikbuch) erwirbbuch(entspannungsbuch) setort(buchhandlung) zeigbuecher() zeigbuecher() zeigbuecher() erwirbbuch(informatikbuch) liesbuch(informatikbuch) zeigbuecher() L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

22 Beispiele Oberstufe Modellierung 3 Quellcode Objektorientierte Modellierung (OOM) Quellcode Sequenz b u c h h a e n d l e r i n= Person (BUCHHANDLUNG) i n f o r m a t i k B u c h= Buch (INFORMATIK) entspannungsbuch= Buch (ENTSPANNUNG) buchhaendlerin. erwirbbuch ( informatikbuch ) buchhaendlerin. erwirbbuch ( entspannungsbuch ) p r i n t Bücher der Buchhändlerin : b u c h h a e n d l e r i n. zeigbuecher ( ) kunde= Person ( in der Schule ) kunde. s e t O r t (BUCHHANDLUNG) print Bücher des Kunden : kunde. zeigbuecher ( ) kunde. erwirbbuch ( entspannungsbuch ) buchhaendlerin. verkaufebuch ( entspannungsbuch ) print Bücher des Kunden : kunde. zeigbuecher ( ) kunde. l i e s B u c h ( i n f o r m a t i k B u c h ) Hinweise Die Erstellung der Klassen Person und Buch wird hier in der Vorlesung nicht thematisiert siehe Vorlesung zu C++ Im Unterricht kann in dieser Phase des Anfangsunterrichts eine Implementierung dieser Klassen durch die Lehrkraft vorgegeben werden. p r i n t Kunde e r w i r b t Informatikbuch : kunde. erwirbbuch ( i n f o r m a t i k B u c h ) buchhaendlerin. verkaufebuch ( informatikbuch ) print Bücher des Kunden : kunde. zeigbuecher ( ) L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

23 Literatur Boettcher, Daniel ; Grabowsky, Astrid ; Humbert, Ludger ; Poth, Oliver ; Pumplün, Constanze ; Schulte, Jörg: Ada dieser Zug hat Verspätung. In: Schubert, Sigrid (Hrsg.): Informatik und Schule Didaktik der Informatik in Theorie und PraxisINFOS GI-Fachtagung September 2007, Siegen. Bonn : Gesellschaft für Informatik, Köllen Druck + Verlag GmbH, September 2007 (GI-Edition Lecture Notes in Informatics Proceedings P-??). noch nicht erschienen. ISBN ???? Briel (federführend), Wolfgang van ; Dingemann (federführend), Klaus ; Link, Dietmar ; Wüsthoff, Hans-Jürgen ; Hahlweg, Ebbo ; Eschen, Focke ; Lomen, Franz ; Klemisch, Ingo ; Psarski, Klaus ; Malte, Reuter ; Stirba, Norbert ; Pörschke, Wolfgang: Vorgaben zu den unterrichtlichen Voraussetzungen für die schriftlichen Prüfungen im Abitur in der gymnasialen Oberstufe im Jahr Vorgaben für das Fach Informatik. Februar geprüft: 20. Februar 2007 Czischke, Jürgen ; Dick, Georg ; Hildebrecht, Horst ; Humbert, Ludger ; Ueding, Werner ; Wallos, Klaus ; Landesinstitut für Schule und Weiterbildung (Hrsg.): Von Stiften und Mäusen. 1. Aufl. Bönen : DruckVerlag Kettler GmbH, ISBN Eickhoff, Patrick ; Figgen, Bernd ; Hammersen, Thomas ; Humbert, Ludger ; Pommerenke, Dirk ; Richter, Detlef ; Striewe, Jörg: Informatik innovative Konzepte zur Gestaltung einer offenen Anfangssequenz mit vielfältigen Erweiterungen. In: [Friedrich 2005], S Abstract: geprüft: 5. Juni ISBN X Friedrich, Steffen (Hrsg.): Informatik und Schule Informatikunterricht Konzepte und Realisierung INFOS GI-Fachtagung September 2005, Dresden. Bonn : Gesellschaft für Informatik, Köllen Druck + Verlag GmbH, September 2005 L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

24 Literatur (GI-Edition Lecture Notes in Informatics Proceedings P 60). ISBN X Humbert, Ludger: Didaktik der Informatik mit praxiserprobtem Unterrichtsmaterial. 2., überarbeitete und erweiterte Aufl. Wiesbaden : B.G. Teubner Verlag, August 2006 (Leitfäden der Informatik). geprüft: 23. Januar ISBN Humbert, Ludger ; Puhlmann, Hermann: Essential Ingredients of Literacy in Informatics. In: 8 th IFIP World Conference on Computers in Education, 4 7 th July 2005, University of Stellenbosch. Cape Town, South Africa : Document Transformation Technologies cc, July Documents/445.pdf. ISBN Linkweiler, Ingo: Eignet sich die Skriptsprache Python für schnelle Entwicklungen im Softwareentwicklungsprozess? Eine Untersuchung der Programmiersprache Python im softwaretechnischen und fachdidaktischen Kontext. Dortmund, Universität, Fachbereich Informatik, Fachgebiet Didaktik der Informatik, Diplomarbeit, November geprüft: 15. Mai 2007 MSWWF (Hrsg.): Richtlinien und Lehrpläne für die Sekundarstufe II Gymnasium/Gesamtschule in Nordrhein-Westfalen Informatik. 1. Aufl. Frechen : Ritterbach Verlag, Juni 1999 (Schriftenreihe Schule in NRW 4725). MSWWF (Ministerium für Schule und Weiterbildung, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen) Puhlmann, Hermann: Bildungsstandards Informatik zwischen Vision und Leistungstests. In: [Friedrich 2005], S ISBN X L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22

25 Literatur Schriek, Bernard: Informatik mit Java. Eine Einführung mit BlueJ und der Bibliothek Stifte und Mäuse. Werl : Nili-Verlag, September 2005 ( Band I). Kapitel 1 6 (von 13): geprüft: 1. Mai ISBN Schriek, Bernard: Informatik mit Java. Eine Einführung mit BlueJ und der Bibliothek Stifte und Mäuse. Werl : Nili-Verlag, September 2006 ( Band II). Kapitel 1 4 (von 11): geprüft: 1. Mai ISBN L. Humbert (Didaktik der Informatik) DdI 1 Vorlesung Juni / 22