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 2004 - FU Berlin - Folie 1
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 2004 - FU Berlin - Folie 2
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 2004 - FU Berlin - Folie 3
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 2004 - FU Berlin - Folie 4
Modelle in der Fachsprache (reduziert) Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 5
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 2004 - FU Berlin - Folie 6
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 2004 - FU Berlin - Folie 7
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 2004 - FU Berlin - Folie 8
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 2004 - FU Berlin - Folie 9
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 2004 - FU Berlin - Folie 10
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 2004 - FU Berlin - Folie 11
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 2004 - FU Berlin - Folie 12
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 (www.die.et-inf.uni-siegen.de/pgleo) BlueJ (www.bluej.org) 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 2004 - FU Berlin - Folie 13
*LEO Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 14
*BlueJ Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 15
Struktogramm Modelltyp Zweck des Modells Entwurf und Untersuchung, grafisch-symbolisch Strukturierte Darstellung von imperativen Programmteilen Anschauliche Ausgangsbasis zur Verifikation Werkzeug(e) StruktEd (www.strukted.de/) 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 2004 - FU Berlin - Folie 16
*StruktEd Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 17
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 (http://prdownloads.sourceforge.net/diainstaller/dia-0.92.2-1-setup.zip?download) www.hyfisch.de/hyfisch/informieren/infosysteme Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 18
*DIA Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 19
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 (www.kubitz-online.de/) Fujaba (life.upb.de), Poseidon life.upb.de/ www.lmtm.de/informatixtm/umljava ivs.cs.uni-magdeburg.de/~dumke/uml/index.htm Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 20
*Violet Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 21
*UMLed für Delphi Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 22
*Fujaba, Poseidon für Java Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 23
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) www.debacher.de/vrml/inftagung.htm www.heise.de/ct/97/05/236/ Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 24
*VRML Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 25
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 (http://www.fischertechnik.de/) http://ddi.cs.uni-potsdam.de/hyfisch/ki/lego http://www.lehrer-online.de/dyn/9.asp?url=352560.htm http://www.mindstormsforum.de/ http://www.informatik.gierhardt.de/mindstorms/ http://www.heise.de/tp/deutsch/special/game/4497/1.html Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 26
*LegoMindstorms Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 27
*Fischertechnik Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 28
- 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 2004 - FU Berlin - Folie 29
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 (www.digital-simulator.de/) weitere unter der obigen Adresse Unterrichtsbeispiel(e) www.hyfisch.de/hyfisch/informieren/technik www.num.math.unigoettingen.de/vlin.public/material/didaktik3.pdf Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 30
*DigitalSimulator Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 31
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) http://www.hyfisch.de/hyfisch/informieren/prog rammiersprachen Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 32
*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 2004 - FU Berlin - Folie 33
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 (www.oberstufeninformatik.de/dc/) RSIRechner (informatikag.bildung-rp.de) Unterrichtsbeispiel(e) http://www.oberstufeninformatik.de/dc/ http://tech-www.informatik.unihamburg.de/applets/baukasten/da/inhalt.html Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 34
*DC Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 35
*RSIRechner Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 36
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 http://www.gregor-buchholz.de/index.html?html/sw.shtml http://informatikag.bildung-rp.de/html/software.html Unterrichtsbeispiel(e) http://www.turing.org.uk/ http://www.hyfisch.de/0x8d593037_0x0004c837 Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 37
*Turingmaschine Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 38
*Turingmaschine2 Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 39
Simulationsmodell Modelltyp Zweck des Modells Computermodell (nach AMT) Erkenntnisgewinn zu komplexen dynamischen Systemen Werkzeug(e) Unterrichtsbeispiel(e) Dynasys (www.hupfeld-software.de) Powersim Excel, Works Programmiersprachen im Allgemeinen www.hyfisch.de/hyfisch/praxis/projekte/modell bildung Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 40
*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 = 0.0004*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 2004 - FU Berlin - Folie 41
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)?? http://ddi.uni-paderborn.de/cscwvergleich/entwurf.pdf Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 42
*BSCW Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 43
*Office-Software Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 44
MindMap Modelltyp Zweck des Modells Vorgehen, Planung graphisch,semantisch Bildet die kognitive Vernetzung von Begriffen einer Projektgruppe in eine Darstellung ab. Werkzeug(e) MindManager (www.mindjet.de) Unterrichtsbeispiel(e)? Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 45
*MindManager Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 46
?? 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 2004 - FU Berlin - Folie 47
- 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 2004 - FU Berlin - Folie 48
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 2004 - FU Berlin - Folie 49
HyFisch Sammelt unter www.hyfisch.de! Benötigt ihre Mit- und Zuarbeit: mthomas@cs.uni-potsdam.de FIN Didaktik der Informatik - Universität Potsdam - M. Thomas - Workshop Modellbildungswerkzeuge im Informatikunterricht auf der GI-FIBBB 2004 - FU Berlin - Folie 50