InfoTraffic Alltagsbezogene Lernumgebungen für Warteschlangen und Aussagenlogik
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- Christian Kneller
- vor 8 Jahren
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1 Absolvententreffen der Informatiklehrer/innen TU Dresden, 31. März 27 InfoTraffic Alltagsbezogene Lernumgebungen für Warteschlangen und Aussagenlogik Department of Computer Science ETH Zürich Ruedi Arnold, ETH Zürich 1
2 -> hier Filmeinblendung! 2
3 Es gibt Kulturen, bei denen sich komplexe Probleme mittels gesundem Menschenverstand automatisch lösen. In unseren Breitengraden ist das eher nicht üblich, da braucht es Regeln und damit Logik... ;-) 3
4 Verschiedene Einführungen in abstrakte Themen... Bekanntes Problem im Unterricht: Wie führe ich ein neues abstraktes Thema ein? Wie motiviere ich den Stoff? Gibt es praktische Anwendungen? Gibt es sinnvolle Alltagsbeispiele? Wann und wie bringe ich formale Notationen?... 4
5 ...wie Aussagenlogik... Eine Formel der Aussagenlogik ist in konjunktiver Normalform, wenn sie eine Konjunktion von Disjunktionstermen ist. Disjunktionsterme sind dabei Disjunktionen von Literalen. Literale sind nichtnegierte oder negierte Variablen. Eine Formel in KNF hat also die Form: Von: ODER A B Sichere Formel in KNF: ( A B) Kollision möglich! 5
6 ...oder Warteschlangentheorie M/D/4 - Wartesystem Anzahl (identischer) Serviceeinheiten Serviceprozess (statistische Verteilung der Servicezeiten) Ankunftsprozess (statistische Verteilung der Zwischenankunftszeitpunkte) M = Exponentialverteilung (Markovian Distribution) D = Konstante Zwischenzeit (Deterministic Distribution) ODER 6
7 Projekt InfoTraffic InfoTraffic ist eine Sammlung von interaktiven Lernumgebungen zum Unterrichten von wichtigen informatischen Konzepten. Motivation: Abstrakte Konzepte lassen sich mit einem Beispiel aus dem Alltag leichter einführen. LogicTraffic QueueTraffic (DynaTraffic) 7
8 LogicTraffic & QueueTraffic LogicTraffic: Aussagenlogik Wahrheitstabellen, Operatoren, Normalformen, Äquivalenz,... Mache Kreuzungen sicher! QueueTraffic: Warteschlangen Ankunftsrate, Durchsatz,... Simulation & Analyse von Stau! Online gratis erhältlich, inkl. Unterrichtsmaterialien Vielfach erfolgreich eingesetzt und erprobt in Schweizer Gymnasien und bei Lehreraus- und -weiterbildungen 8
9 LogicTraffic: Aussagenlogik bei Verkehrskreuzungen A B Aussagen: A = Spur A hat grün. B = Spur B hat grün. Aufgaben/Fragen: Sichere Formel hier z.b.: A B Was muss gelten, damit keine Kollisionen möglich sind? Wie kann man das mittels Aussagenlogik spezifizieren? 9
10 Programmübersicht LogicTraffic Verkehrs situation Wahr heits tabelle Formel zur Wahrheitstabelle Formeleditor 1
11 LogicTraffic: Statusanzeige unsicher (Kollisionen möglich) sicher (keine Kollisionen, aber es gibt mehr sichere Einstellungen) optimal (Keine Kollisionen, es gibt nicht mehr sichere Einstellungen) 11
12 LogicTraffic: Parse-Baum 12
13 LogicTraffic: DEMO 13
14 QueueTraffic: Warteschlangen bei Strassenkreuzungen Simulation und Analyse von Warteschlangen bei Kreuzungen Veränderung der Parameter Beobachtung der Ergebnisse Einführung in Grundkonzepten der Warteschlangentheorie Ankunftsrate Durchsatz Auslastung und Stau Poisson- und Gleichverteilung... 14
15 Programmübersicht QueueTraffic Daten / Statistiken Verkehrssimulation Verkehrskontrolle Verkehrsaufkommen Simulationskontrolle 15
16 QueueTraffic: Verkehrskontrolle 16
17 QueueTraffic: Verkehrsaufkommen 17
18 QueueTraffic: Simulationskontrolle 18
19 QueueTraffic: Daten und Statistik 19
20 QueueTraffic: DEMO 2
21 QueueTraffic: Beispielrechnung... Ankunftsrate: λ = 1 Autos / 6 s Effektiver Durchsatz: μ e = 9 Autos / 6 s Theoretischer Durchsatz: μ t = (28 s / 6 s) * (1 Auto / 1 s) = 28 Autos / 6 s Auslastung:!!! ρ = λ / μ t = (1 Autos / 6 s) / (28 Autos / 6 s) =.36 berechnet! simuliert! (gezählt) 21
22 InfoTraffic: Didaktisches Konzept 1. Wahl des Inhalts 2. Design der Lernumgebungen 3. Einsatz im Unterricht 22
23 1. Inhalt: Fundamentale Ideen Aussagenlogik und Warteschlangen sind fundamentale Ideen gemäss [1] Verschiedene Anwendungen Auf verschiedenen kognitiven Stufen Historisch und in Zukunft relevant Verbindung zur alltäglichen Sprache und Handlungen Wichtiges Thema, da lohnt es sich etwas zu machen! [1] A. Schwill. Fundamental ideas of computer science. EATCS-Bulletin, 53: ,
24 2. Design: Interaktivität Schulmeister [2]: 6 Stufen der Interaktivität 1. Darstellung 2. Navigation 3. Verschiedene Repräsentationen 4. Modifikation von Parametern 5. Konstruktion eigener Objekte 6. Konstruktion + intelligente Rückmeldung QueueTraffic LogicTraffic Attraktiv für die Nintendo Generation gemäss [3] (Multimedia, Animation, verschiedene Möglichkeiten zur Interaktion,...) [2] R. Schulmeister. Taxonomy of Multimedia Component Interactivity. A Contribution to the Current Metadata Debate. Studies in Communication Sciences. Studi di scienze della communicazione., 3(1):61-8, 23. [3] M. Guzdial and E. Soloway. Teaching the nintendo generation to program. Comm. of the ACM, 45(4):17-21,
25 2. Design: Verschiedene Repräsentationen Drei Repräsentationsformen enaktiv, ikonisch und symbolisch gemäss [4], erweitert durch virtuell-enaktiv von [5] Denken ist eine formale Operation, die sich in verschiedenen Medien abspielen kann [4] symbolisch -Symbol Baum ikonisch -Bild enaktiv -Tun virtuell-enaktiv simuliertes Tun [4] J. S. Bruner, R. R. Oliver, and P. M. Greenfeld. Studies in Cognitive Growth. Wiley, New York, [5] W. Hartmann, M. Naef, and R. Reichert. Informatikunterricht planen und durchführen. Springer, Heidelberg, Berlin, New York,
26 2. Repräsentationen in LogicTraffic Symbolisch: Ikonisch: Virtuell-enaktiv: 26
27 3. Einsatz: B-R-B-R oder Advance Organizer+ Unterricht basiert oft auf der R-B-R-Technik [6] Regel Beispiel Regel Für abstrakte Inhalte besser B-R-B-R: Beispiel Regel Beispiel Regel Warteschlangen als M/M/1 System oder als? Andere Sichtweise: Erweiterung eines Advance Organizer [7] Nicht bloss mit einer Zusammenfassung und Referenzen auf bekanntes Wissen beginnen, sondern mit einem ausführlichen Beispiel bekannt aus dem täglichen Leben. [6] D. A. Bligh. What is the Use of Lectures? Penguin Books, [7] D. P. Ausubel. Theuseof advanceorganizersin thelearning and retention of meaningful verbal material. Journal of Educational Psychology, 51: ,
28 Einstieg in abstrakte Themen?...wieso nicht mit Beispielen aus dem Alltag? A B Kollision möglich! Es gibt gratis verfügbare, interaktive Lernumgebungen dazu, inkl. Unterrichtsmaterialien! 28
29 Ausblick DynaTraffic: Lerninhalte Modellierung Kantengraph, Adjazenzmatrix,... Markovkette Startvektor, Stationärer Zustand,... A 1 D B 2 E C 3 F 4 G.2 A.1.2 B D E C F G A B E C G U= D F q t = U q t-1 29
30 Programmattrappe DynaTraffic 3
31 InfoTraffic Anmerkungen? Fragen? 31
32 -> Diese Folien sind online verfügbar unter: 32
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