Physical-Computing-Geräten wie Robotern und Mikrocontrollern wird eine wichtige Rolle als Lernmedium für Schülerinnen und Schüler zugesprochen. Zu lernende Kontexte sind ähnlich vielfältig wie die inzwischen existierenden Geräte. Die Komplexität der Systeme ist mannigfaltig und bisherige Forschung geht zumeist von dem Gerät als Forschungsgegenstand aus. Im Rahmen dieser Dissertation wird von einem geräteunabhängigen Physical- Computing-Prozess als Problemlöseprozess ausgegangen, um ein Fundament für nachhaltige und geräteunabhängige Forschung zu schaffen sowie Physical Computing als Unterrichtsgegenstand zu beschreiben. Aufgrund von Merkmalen, wie der Arbeit mit Sensorik und Aktuatorik sowie dem iterativen Testen und Evaluieren, scheint Physical Computing Ähnlichkeiten zu dem naturwissenschaftlichen Experiment aufzuweisen. Dieser Zusammenhang und die potentiellen Auswirkungen auf die Informatikdidaktik werden in den folgenden drei Ausprägungsformen untersucht. Basierend auf Modellen aus der Literatur wird ein Modell des Physical-Computing- Prozesses abgeleitet und mithilfe empirischer Studien adaptiert. Bei dem Vergleich der Prozesse der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung und des Physical Computing können diverse Gemeinsamkeiten festgestellt werden. Insbesondere verlaufen die Prozesse parallel zueinander, was die Grundlage für einen MINT-Problemlöseprozess bildet. Bislang wurden konkrete Probleme von Schülerinnen und Schülern bei der Interaktion mit den Geräten peripher beschrieben. In dieser Arbeit wird eine Analyse von Problemursachen vorgenommen und auftretende Probleme werden kategorisiert. Probleme, die gleichzeitig mehrere Problemursachen haben, werden aufgedeckt und eine Problemtaxonomie zur Beschreibung von Problemursachen abgeleitet. Ein mehrstufiges Feedback-Modell zur Unterstützung des Problemlösens in Physical- Computing-Aktivitäten wird basierend auf der Problemtaxonomie entwickelt. Durch eine empirische Untersuchung wird es als unterstützend für den Physical-Computing-Prozess evaluiert und bildet damit ein Modell zur Entwicklung von kognitiven Tutorensystemen für Physical Computing. / Physical computing devices like robots and microcontrollers play an important role as learning devices for students. These devices as well as the learning contexts are multifaceted. The complexities of the systems are diverse and the existing research is usually concentrated on the devices. This thesis develops as a starting point a device-independent physical computing process by seeing it as problem-solving process. The goal is to construct a base for sustained and device-independent physical computing research and to describe physical computing as a school subject. The physical computing process seems to share similarities with the scientific inquiry process, because of characteristics like working with sensors and actuators and iterativ testing and evaluating. This relation and the implications on computer science education are explored in the following three facets. Based on existing literature, a model of the physical computing process is derived and supplemented by empirical data. In the comparison of the scientific inquiry and the physical computing processes substantial commonalities are identified. Hence, a base for a joint STEM problem-solving process is built. So far, concrete students’ problems during the activities with physical computing devices are described as a side product. In this thesis problem sources are uncovered and occurring problems categorized. Problems having more than one problem source are uncovered and a problem taxonomy is derived from that. Based on the problem taxonomy, a multilevel feedback model to support problem solving during physical computing activities is developed. With an empirical exploration, the taxonomy is evaluated. Results indicate that the taxonomy is supportive for achieving the physical computing process. Finally a model for a cognitive tutoring system for physical computing is outlined.

Schüler/innen zu befähigen, die allgegenwärtige Rechentechnik in ihrem Umweld zu erkennen und zu bewerten ist ein international proklamiertes Ziel sekundärer Informatikbildung. Zu diesem Zweck müssen sie von ihrem schulischen Wissen auch tatsächlich im Alltag Gebrauch machen. Ausgehend von Theorien zu Lerntransfer und existierender Forschung zu Schülervorstellungen, untersucht diese Dissertation die Denk- und Lernprozesse von Schüler/innen über konkrete informatische Geräte. Die erste Studie untersucht, welche Arten von Technik Schüler/innen allgemein unterscheiden. Ich stelle eine Grounded Theory zu einer entsprechenden Taxonomie vor. Diese legt nahe, dass Rechentechnik keine vordergründige Kategorie für sie darstellt, was entsprechenden Transfer erschweren würde. Die zweite Studie untersucht, wie Schüler/innen Rechen- von Nicht-Rechentechnik unterscheiden. Ich stelle eine Grounded Theory entsprechender Denkprozesse vor. Diese zeigt, dass etliche Schüler/innen Rechentechnik unsachgemäß anhand inhärenter Fähigkeitsgrenzen unterscheiden, was ebenfalls Transfer behindern würde. Die dritte Studie untersucht daraufhin Lernprozesse im Kontext einer Intervention, die die oben genannten Punkte adressieren soll. Sie zeigt, dass einige Schüler/innen Probleme damit haben, Rechentechnik als gleichzeitig ökonomisch und leistungsfähig zu verstehen, was wiederum seine Verbreitung und Auswirkungen einschränkt. Die Analyse legt zudem erste Richtlinien für das Design entsprechender Interventionen nahe. Die Studien werden anschließend integriert diskutiert. Insbesondere stelle ich Lernziele und Aktivitäten vor, welche eine Teilantwort meiner ursprünglichen Leitfrage bilden: was müssen Schüler/innen lernen, um Rechentechnik im Alltag adäquat zu erkennen und zu bewerten? Ich diskutiere Implikationen für die Praxis sowie potentielle weiterführende Forschung, vor allem im Bezug zu einer Informatikbildung, die sich als Säule moderner Allgemeinbildung versteht. / Enabling students to recognize and evaluate the ubiquitous computing technologies in their lives is an internationally proclaimed goal of a secondary informatics education. To that end, they need to actually engage with their school-learned knowledge in the context of everyday situations. Based on theories of knowledge transfer and prior research on student conceptions, this thesis investigates students' related thinking and learning processes. The first study investigates what kinds of technology students generally distinguish. I propose a grounded theory for a related taxonomy. It suggests that computing technology is, in fact, not a very salient kind of technology for many, which poses a challenge for related transfer. The second study investigates how students even distinguish computing from non-computing technology. I propose a grounded theory of their related reasoning processes. It shows that students may inappropriately distinguish computing devices on the basis of inherent capability limitations, which would also be detrimental to transfer. The third study investigates students' learning processes in the context of an intervention designed to address these issues. It revealed that several students apparently had difficulty to conceive of computing technology as simultaneously economical and powerful, thus limiting its potential ubiquity and impact. The analysis also indicates some initial guidelines for the design of related interventions. The three studies are then integrated and discussed. In particular, I propose a set of learning objectives and activities as a partial answer to my original guiding question: what is it that students need to learn in order to adequately recognize and evaluate computing technologies in their lives? I discuss implications for practice and potential avenues for future research, especially with respect to a general informatics education that regards itself as part of a contemporary general education.

Alle Lehrkräfte benötigen für ihre Profession spezifische digitale Kompetenzen, um das Potenzial digitaler Medien zum Lehren und Lernen nutzen zu können und um Schüler:innen zu befähigen, kompetent mit digitalen Medien umzugehen. Es fehlt an wirksamen Fortbildungsangeboten. Diese Dissertation möchte einen Beitrag dazu leisten und geht zwei Forschungsfragen nach: 1) Wie sollte eine fächerübergreifende Fortbildung für Lehrkräfte weiterführender Schulen inhaltlich, methodisch-didaktisch und organisatorisch gestaltet sein, um die professionsspezifische digitale Kompetenz der Teilnehmenden für sie zufriedenstellend zu fördern? 2) Welche Wirkung hat die konzipierte Fortbildung auf die selbsteingeschätzte digitale Kompetenz und das berichtete berufliche Handeln mit digitalen Medien? Die theoretische Grundlage für die Konzeption der Fortbildungsreihe bilden der Europäische DigCompEdu-Rahmen und der aktuelle Forschungsstand zu wirksamen Lehrkräftefortbildungen. Als forschungsmethodische Grundlage wurde der iterative Design-Based Research Ansatz gewählt. Das zu Beginn theoriegeleitet entwickelte Fortbildungskonzept wurde mit Hilfe qualitativer und quantitativer Methoden in drei Zyklen mit insgesamt 13 Fortbildungsgruppen und 247 Teilnehmenden weiterentwickelt und evaluiert. Aus der Studie resultierte ein für die Mehrheit zufriedenstellendes und evidenzbasiertes Konzept einer vierteiligen Fortbildungsreihe mit umfassenden Materialien, welches die selbsteingeschätzte digitale Kompetenz signifikant verbessert und das berichtete berufliche Handeln mit digitalen Medien nachweislich verändert. Ferner konnten die aus der Literatur identifizierten Merkmale zur inhaltlichen, methodisch-didaktischen und organisatorischen Gestaltung wirksamer Lehrkräftefortbildungen für diesen Kontext bestätigt, konkretisiert und ergänzt werden, woraus Gestaltungsempfehlungen für zukünftige Lehrkräftefortbildungen zur Förderung der professionspezifischen digitalen Kompetenz abgeleitet werden konnten. / To harness the potential of digital technologies for teaching and learning in schools, and to enable students to use digital technologies competently, teachers need specific digital competencies for their profession. This thesis aims to address the lack in effective Continuous Professional Development (CPD) courses in digital competences by answering the following research questions: 1) How should an interdisciplinary in-service training course for secondary school teachers be designed in terms of content, methodological-didactic and organisational aspects in order to satisfactorily promote the profession-specific digital competence of the participants? 2) What is the impact of the designed CPD course on the self-assessed digital competence of the participants and in their reported professional use of digital technologies? The European Framework DigCompEdu and the state-of-the-art research on effective CPD for teachers form the theoretical basis for the design of the CPD course. The iterative Design-Based Research approach was chosen as the research methodology. The initial theory-based CPD design was continuously re-designed and evaluated in three cycles with a total of 13 groups and 247 participants using qualitative and quantitative methods. The study provided an evidence-based concept for a four-part CPD course that is acceptable to the majority of respondents and that significantly improves the self-assessed digital competence. Furthermore, the design principles identified in the literature for effective CPD in terms of content, methodology, didactics and organisation could be confirmed, specified and extended for the context of the interdisciplinary promotion of DigCompEdu competences of teachers at secondary schools. Finally, recommendations are derived for the design of future CPD courses to promote the digital competences of the profession.