In der vorliegenden Arbeit wird ein Unterrichtsmodell zur Kompetenzentwicklung mit Informatiksystemen für die Sekundarstufe II vorgestellt. Der Bedarf wird u. a. damit begründet, dass Informatiksysteme zu Beginn des 21. Jahrhunderts allgegenwärtig sind (Kapitel 1). Für Kompetenzentwicklung mit Informatiksystemen sind diese in ihrer Einheit aus Hardware, Software und Vernetzung anhand ihres nach außen sichtbaren Verhaltens, der inneren Struktur und Implementierungsaspekten zu analysieren. Ausgehend vom Kompetenzbegriff (Kapitel 2) und dem Informatiksystembegriff (Kapitel 3) erfolgt eine Analyse des fachdidaktischen Forschungsstandes zur Kompetenzentwicklung mit Informatiksystemen. Die Ergebnisse lassen sich in die Bereiche (1) Bildungsziele, (2) Unterrichtsinhalte, (3) Lehr-Lernmethodik und (4) Lehr-Lernmedien aufteilen (Kapitel 4). In Kapitel 5 wird die Unterrichtsmodellentwicklung beschrieben. Den Zugang zu Informatiksystemen bildet in der vorliegenden Dissertationsschrift das nach außen sichtbare Verhalten. Es erfolgt eine Fokussierung auf vernetzte fundamentale Ideen der Informatik und Strukturmodelle von Informatiksystemen als Unterrichtsinhalte. Es wird begründet, dass ausgewählte objektorientierte Entwurfsmuster vernetzte fundamentale Ideen repräsentieren. In Abschnitt 5.4 werden dementsprechend Entwurfsmuster als Wissensrepräsentation für vernetzte fundamentale Ideen klassifiziert. Das systematische Erkunden des Verhaltens von Informatiksystemen wird im Informatikunterricht bisher kaum thematisiert. Es werden Schülertätigkeiten in Anlehnung an Unterrichtsexperimente angegeben, die Schüler unterstützen, Informatiksysteme bewusst und gezielt anzuwenden (Abschnitt 5.5). Bei dieser Lehr-Lernmethodik werden das nach außen sichtbare Verhalten von Informatiksystemen, im Sinne einer Black-Box, und das Wechselspiel von Verhalten und Struktur bei vorliegender Implementierung des Systems als White-Box analysiert. Die Adressierung schrittweise höherer kognitiver Niveaustufen wird in die Entwicklung einbezogen. Unterstützend wird für das Unterrichtsmodell lernförderliche Software gestaltet, die vernetzte fundamentale Ideen in Entwurfsmustern und das Experimentieren aufgreift (Abschnitt 5.6). Schwerpunkte bilden im Unterrichtsmodell zwei Arten von lernförderlicher Software: (1) Die Lernsoftware Pattern Park wurde von einer studentischen Projektgruppe entwickelt. In ihr können in Entwurfsmustern enthaltene fundamentale Ideen der Informatik über ihren Lebensweltbezug im Szenario eines Freizeitparks analysiert werden. (2) Als weitere Art Lernsoftware werden kleine Programme eingesetzt, deren innere Struktur durch ausgewählte Entwurfsmuster gebildet und deren Verhalten direkt durch die darin enthaltenen fundamentalen Ideen bestimmt wird. Diese Programme können durch die Experimente im Unterricht systematisch untersucht werden. Mit dem Ziel, die normative Perspektive um Rückkopplung mit der Praxis zu ergänzen, werden zwei Erprobungen im Informatikunterricht vorgenommen. Diese liefern Erkenntnisse zur Machbarkeit des Unterrichtsmodells und dessen Akzeptanz durch die Schüler (Kapitel 6 und 8). Exemplarisch umgesetzt werden die Themen Zugriffskontrolle mit dem Proxymuster, Iteration mit dem Iteratormuster und Systemzustände mit dem Zustandsmuster. Der intensive Austausch mit Informatiklehrpersonen in der Kooperationsschule über Informatiksysteme und Kompetenzentwicklung sowie die Durchführung von zwei Lehrerfortbildungen ergänzen die Beobachtungen im unterrichtlichen Geschehen. Die erste Unterrichtserprobung resultiert in einer Weiterentwicklung des Unterrichtsmodells zu Informatiksystemen und Kompetenzentwicklung (Kapitel 7). Darin erfolgt eine Fokussierung auf das nach außen sichtbare Verhalten von Informatiksystemen und eine Verfeinerung der Perspektiven auf innere Struktur und ausgewählte Implementierungsaspekte. Anschließend wird die zweite Unterrichtserprobung durchgeführt und evaluiert (Kapitel 8). Am Schluss der Forschungsarbeit steht ein in empirischen Phasen erprobtes Unterrichtsmodell. / In the 21st century, informatics systems are ubiquitous. Therefore, the author presents an educational model for competencies with respect to informatics systems (Chapter 1). To achieve such competencies at upper secondary level, observable behaviour, internal structure and implementation aspects of informatics systems have to be analysed by students. Based on a definition of the terms competency (Chapter 2) and informatics system (Chapter 3), the state of the art in Didactics of Informatics is investigated. In the national and international scientific work, (1) educational objectives, (2) themes and subject matters, (3) teaching and learning methods, as well as (4) educational means and media are identified (Chapter 4). In Chapter 5 the development of the educational model is described. The approach to competencies with respect to informatics systems concentrates on the observable behaviour of the systems. We focus on networked fundamental ideas of informatics as a quality factor and structural models of informatics systems. Selected object-oriented design patterns represent networked fundamental ideas. In Section 5.4 design patterns as knowledge representations of fundamental ideas are classified. Systematic exploration of informatics systems is uncommon in informatics education at upper secondary level. Therefore, students' activities are developed according to educational experiments to enable students to use systems consciously (Section 5.5). Systematic exploration puts students in a position to analyse the observable behaviour as a black box. Given the source code and documentation of a system, experimenting with such a system relates behaviour to its internal structure. Succeeding cognitive processes are also considered in this approach. To support learning, software was developed, which emphasises fundamental ideas in design patterns and enables experimenting (Section 5.6). There are two kinds of learning software: (1) The learning software Pattern Park was developed by a student project group. In the software fundamental ideas within design patterns can be understood through a real-life analogy in the context of a theme park. (2) As a second kind of learning software we use small programs, whose internal structure is built by selected design patterns. Their observable behaviour depends on networked fundamental ideas of informatics. These programs can be analysed systematically by students. Aiming at complementing the normative perspective with concrete learning processes, two classroom practice projects were conducted. These offered results with respect to feasibility of the educational model and acceptance by the students (Chapter 6 and 8). Exemplarily, access control by Proxy design pattern, iteration by Iterator design pattern, and states of systems by State design pattern were chosen. Cooperation with teachers and conduction of teacher training workshops complement observations within the classroom projects. The first classroom project resulted in a refinement of theory to foster competencies with respect to informatics systems (Chapter 7). In particular, perspectives on informatics systems were elaborated. Afterwards, a second classroom project was conducted and evaluated (Chapter 8). In conclusion of the research project, there is an empirically tested educational model to foster competencies with respect to informatics systems.

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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.

In dieser Arbeit werden zwei Fragen im Zusammenhang mit Fehlern von Fingerabdruckerkennungssystemen untersucht. Erstens: Welche strukturellen Merkmale und begrifflichen Implikationen hat der spezifische Fehlerdiskurs in diesem Teilgebiet der Biometrie? Zur Beantwortung dieser Frage werden im Rahmen einer diskursanalytischen Betrachtung der Fachtexte des Forschungsfeldes die gängigen Fehlertypologien der Biometrie untersucht. Die Arbeitshypothese der Analyse ist, dass der massenhafte Einsatz von Fingerabdruckerkennungssystemen im Alltag trotz aller ihrer Fehler diskursiv durchsetzungsfähig ist. Undzwar nicht unbedingt, weil die Fehler zu vernachlässigen sind, sondern weil die Angst vor „Identitätsbetrug“, die Idee einer Messbarkeit von Identität und die wirtschaftliche und politische Bedeutung von Sicherheitstechniken in einer für unsicher gehaltenen Welt große Wirkmächtigkeit haben. Es wird diskutiert, inwiefern die Auseinandersetzung mit System- und Überwindungsfehlern in der Informatik zu kurz greift. Daher wird ein erweitertes Fehlermodell vorgeschlagen, das an jüngere transdisziplinäre Fehlerforschung anknüpft und als kritisches Analyseinstrument für die Beurteilung der Wechselwirkung zwischen Informatik(-system) und Gesellschaft genutzt werden kann. Zweitens: Wie lassen sich die diskursanalytische Methode und ein experimentelles Hands-On-Lernen zu einem Lern- und Lehrkonzept verbinden, dass eine kritische Vermittlung der Probleme von Fingerabdruckerkennungssystemen ermöglicht? Ausgehend von schulischen Unterrichtskonzepten einer an der Lebenswelt orientierten Informatiklehre sowie der Idee des „be-greifbaren Lernens“ an konkreten Gegenständen wurde ein Lern- und Lehrkonzept für Universität und Schule entwickelt und in drei verschiedenen Institutionen ausprobiert. / In this paper two questions will be addressed relating to deficits in fingerprint recognition systems. Firstly, what structural features and conceptual implications does the analysis of errors have in the field of biometrics? To answer this question, the common error types in biometrics will be examined, as part of an analytical discourse taking into consideration technical texts from the research field. The working hypothesis of this analysis is that the structure of the discourse surrounding fingerprint recognition systems would present no barriers to their widespread implementation in everyday life despite all their faults – not because their shortcomings are negligible but due to the great potency of the fear of “identity fraud”, the notion that identity can be measured, and the economic and political importance of security technologies in a world deemed unsafe. It will be discussed how the examination of system errors and spoofing attacks in computer science falls short in addressing the whole picture of failing fingerprint recognition systems. Therefore an extended error model will be proposed, one which builds on recent transdisciplinary error research and which can be used as a critical tool for analysing and assessing the interaction between computer systems and society. Secondly, how could the analytical discourse method and experimental hands-on learning be combined into a teaching concept that would enable critical teaching of the problems of fingerprint recognition systems? Starting from the school-based teaching concepts of a theory of computer science based on real life and the idea of “hands-on learning” using concrete objects, a teaching concept for universities and schools has been developed and tested in three different institutions.