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Fachdidaktische Diskussion von Informatiksystemen und der Kompetenzentwicklung im InformatikunterrichtStechert, Peer January 2009 (has links)
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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Interaction Design Patterns und CSCL-Scripts für Videolernumgebungen / Interaction design patterns and CSCL scripts for video-based learning environmentsSeidel, Niels 15 March 2018 (has links) (PDF)
In den letzten Jahren haben Lernvideos im Bereich des informellen und formellen Lernens an Bedeutung gewonnen. Inwieweit Lernende bei der Nutzung von Videos unterstützt werden und Lehrende didaktische Szenarien umsetzen können, hängt jedoch von der eingesetzten Videolernumgebung ab. Es ist Anliegen der vorliegende Arbeit, Prinzipien des User Interface Designs sowie Komponenten und Mechanismen videobasierter Lehr-Lern-Szenarien in Bezug auf Videolernumgebungen zu identifizieren, zu beschreiben und technisch zu realisieren. Das Ziel besteht darin, Gestaltungsprinzipien in Form von Interaction Design Patterns zu erarbeiten und computergestützte videobasierte Lehr-Lern-Szenarien mit Hilfe von CSCL-Scripts durch eine geeignete Spezifikation und Formalisierung zu realisieren.
Für die Erarbeitung der Interaction Design Patterns wurden 121 Videolernumgebungen hinsichtlich 50 Kategorien in einer Inhaltsanalyse empirisch untersucht und dokumentiert. Unter Berücksichtigung ähnlicher Patterns aus thematisch verwandten Pattern Languages und den Erfahrungen aus der Implementierung und dem Einsatz von Videolernumgebungen entstanden 45 Interaction Design Patterns für verbreitete Lösungen für wiederkehrende Probleme bei der Gestaltung und Entwicklung von Videolernumgebungen. Diese Patterns wurden auf Pattern Konferenzen diskutiert und im Anschluss evaluiert sowie bei der Konzeption, Entwicklung und Bewertung mehrerer Videolernumgebungen angewendet. Zudem wurde das Software Framework VI-TWO vorgestellt, mit dem sich fast alle Patterns auf einfache Weise in
Web-Anwendungen realisieren lassen.
Zur Spezifikation videobasierter CSCL-Scripts wurden existierende videobasierte und nicht videobasierte Scripts analysiert. Im Ergebnis unterschieden sich videobasierte CSCL-Scripts von allgemeinen CSCL-Scripts vor allem hinsichtlich der mit dem Video verknüpften oder darin verankerten Aufgaben und Aktivitäten. Videos werden dabei nicht als monolithische Einheiten, sondern als zeitkontinuierliche Medien betrachtet, in denen weitere Informationen zeitgenau verankert und Lernaktivitäten stattfinden können. Außerdem ließen sich drei Typen videobasierter CSCL-Scripts identifizieren: (1) Scripts zur Analyse und Diskussion von Videoinhalten, (2) Peer Annotation Scripts einschließlich dem Peer Assessment und (3) Jigsaw-Scripts, die das problembasierte Lernen mit Hilfe von Videos ermöglichen. Unabhängig davon variiert die Komplexität der Scripts auf drei Stufen: (1) sofern voneinander abgegrenzte zeitliche Phasen von Lernaktivitäten bestehen, (2) wenn darüber hinaus die Teilnehmer innerhalb von Gruppen Aufgaben bearbeiten (intra-group) und (3) falls außerdem Aufgaben auch gruppenübergreifend bearbeitet werden (inter-group). Auf Grundlage der Spezifikation konnte ein Datenmodell und ein Modell für die nutzerseitige Modellierung von Scripts verschiedener Komplexitätsstufen sowie Typen entwickelt und in dem CSCL-System VI-LAB realisiert werden.
Diese Arbeit leistet in zweifacher Hinsicht einen Beitrag zur Forschung im Bereich E-Learning. Zum einen beschreiben die Interaction Design Patterns wiederkehrende User Interface Lösungen und stellen somit ein Hilfsmittel für Designer, Software Entwickler und Lehrende bei der Gestaltung und Implementierung von Videolernumgebungen dar. Zum anderen wurden durch die Spezifikation und softwareseitige Umsetzung videobasierter CSCL-Scripts Voraussetzungen geschaffen, die den praktischen Einsatz und die weitere Untersuchung des kollaborativen Lernens mit Videos ermöglichen.
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Interaction Design Patterns und CSCL-Scripts für VideolernumgebungenSeidel, Niels 26 February 2018 (has links)
In den letzten Jahren haben Lernvideos im Bereich des informellen und formellen Lernens an Bedeutung gewonnen. Inwieweit Lernende bei der Nutzung von Videos unterstützt werden und Lehrende didaktische Szenarien umsetzen können, hängt jedoch von der eingesetzten Videolernumgebung ab. Es ist Anliegen der vorliegende Arbeit, Prinzipien des User Interface Designs sowie Komponenten und Mechanismen videobasierter Lehr-Lern-Szenarien in Bezug auf Videolernumgebungen zu identifizieren, zu beschreiben und technisch zu realisieren. Das Ziel besteht darin, Gestaltungsprinzipien in Form von Interaction Design Patterns zu erarbeiten und computergestützte videobasierte Lehr-Lern-Szenarien mit Hilfe von CSCL-Scripts durch eine geeignete Spezifikation und Formalisierung zu realisieren.
Für die Erarbeitung der Interaction Design Patterns wurden 121 Videolernumgebungen hinsichtlich 50 Kategorien in einer Inhaltsanalyse empirisch untersucht und dokumentiert. Unter Berücksichtigung ähnlicher Patterns aus thematisch verwandten Pattern Languages und den Erfahrungen aus der Implementierung und dem Einsatz von Videolernumgebungen entstanden 45 Interaction Design Patterns für verbreitete Lösungen für wiederkehrende Probleme bei der Gestaltung und Entwicklung von Videolernumgebungen. Diese Patterns wurden auf Pattern Konferenzen diskutiert und im Anschluss evaluiert sowie bei der Konzeption, Entwicklung und Bewertung mehrerer Videolernumgebungen angewendet. Zudem wurde das Software Framework VI-TWO vorgestellt, mit dem sich fast alle Patterns auf einfache Weise in
Web-Anwendungen realisieren lassen.
Zur Spezifikation videobasierter CSCL-Scripts wurden existierende videobasierte und nicht videobasierte Scripts analysiert. Im Ergebnis unterschieden sich videobasierte CSCL-Scripts von allgemeinen CSCL-Scripts vor allem hinsichtlich der mit dem Video verknüpften oder darin verankerten Aufgaben und Aktivitäten. Videos werden dabei nicht als monolithische Einheiten, sondern als zeitkontinuierliche Medien betrachtet, in denen weitere Informationen zeitgenau verankert und Lernaktivitäten stattfinden können. Außerdem ließen sich drei Typen videobasierter CSCL-Scripts identifizieren: (1) Scripts zur Analyse und Diskussion von Videoinhalten, (2) Peer Annotation Scripts einschließlich dem Peer Assessment und (3) Jigsaw-Scripts, die das problembasierte Lernen mit Hilfe von Videos ermöglichen. Unabhängig davon variiert die Komplexität der Scripts auf drei Stufen: (1) sofern voneinander abgegrenzte zeitliche Phasen von Lernaktivitäten bestehen, (2) wenn darüber hinaus die Teilnehmer innerhalb von Gruppen Aufgaben bearbeiten (intra-group) und (3) falls außerdem Aufgaben auch gruppenübergreifend bearbeitet werden (inter-group). Auf Grundlage der Spezifikation konnte ein Datenmodell und ein Modell für die nutzerseitige Modellierung von Scripts verschiedener Komplexitätsstufen sowie Typen entwickelt und in dem CSCL-System VI-LAB realisiert werden.
Diese Arbeit leistet in zweifacher Hinsicht einen Beitrag zur Forschung im Bereich E-Learning. Zum einen beschreiben die Interaction Design Patterns wiederkehrende User Interface Lösungen und stellen somit ein Hilfsmittel für Designer, Software Entwickler und Lehrende bei der Gestaltung und Implementierung von Videolernumgebungen dar. Zum anderen wurden durch die Spezifikation und softwareseitige Umsetzung videobasierter CSCL-Scripts Voraussetzungen geschaffen, die den praktischen Einsatz und die weitere Untersuchung des kollaborativen Lernens mit Videos ermöglichen.:1 Einführung 19
1.1 Motivation 19
1.2 Herausforderungen und Forschungsfragen 20
1.2.1 Interaction Design Patterns 20
1.2.2 Videobasierte CSCL-Scripts 22
1.3 Kapitelübersicht und Forschungsmethoden 25
1.3.1 Kapitelübersicht 25
1.3.2 Forschungsmethoden je Kapitel 27
2 Lernen mit Videos 29
2.1 Terminologie, Einsatzfelder und Potentiale von Lernvideos 30
2.1.1 Begriffsbestimmung 30
2.1.2 Einsatzfelder und Szenarien für das Lernen mit Videos 32
2.1.3 Potentiale des Medium Video 34
2.2 Videos im Kontext kognitiver Lerntheorien 36
2.2.1 Theorie der kognitiven Last 36
2.2.2 Kognitive Theorie des Lernens mit Multimedia 38
2.3 Interaktivität audiovisueller Lernmedien 44
2.4 Lernformen 48
2.4.1 Rezeptives Lernen 49
2.4.2 Selbstgesteuertes Lernen 50
2.4.3 Kollaboratives Lernen 52
2.5 Zusammenfassung 56
3 Videolernumgebungen und Hypervideos 59
3.1 Terminologie und Modelle 60
3.1.1 Videolernumgebung 60
3.1.2 Terminologie: Video, Hypervideo und interaktives Video 62
3.1.3 Spezifikationen für Hypervideo-Dokumente 65
3.1.4 Modelle des zeitlichen Layouts 66
3.2 Human Video Interface 69
3.2.1 Gestaltungsraum von Hypervideos 70
3.2.2 Usability-Herausforderungen von Human Video Interfaces 74
3.3 Technische Herausforderungen 76
3.3.1 Download und Cache-Management / Echte Nicht-Linearität 77
3.3.2 Synchronisierung von Video und Annotationen 78
3.3.3 Adressierung und Abruf von Medienfragmenten 78
3.3.4 Deklarative Ansätze der Repräsentation von Multimedia 80
3.4 Produktion und Integration in Lernumgebungen 81
3.4.1 Produktion: Vorgehensweisen und Paradigmen 82
3.4.2 Integration in Lernumgebungen und Zusammenspiel mit Diensten im WWW 85
3.5 Zusammenfassung 87
4 Interaction Design Patterns für Videolernumgebungen 91
4.1 Einführung in Design Patterns 92
4.1.1 Design Patterns 95
4.1.2 Mustersprache 101
4.1.3 Verwandte Ansätze im Interaction Design 104
4.1.4 Verwandte Pattern Languages 106
4.2 Systematische Elaboration von Design Patterns 109
4.2.1 Stand der Forschung bzgldem Pattern Mining 110
4.2.2 Inhaltsanalyse von Videolernumgebungen 112
4.2.3 Analyse und Integration ähnlicher Muster bzwMustersprachen 128
4.2.4 Verfassen sowie Revision und Evaluation der Muster 130
4.2.5 Konstruktion der Pattern Language 135
4.3 Pattern Language für Videolernumgebungen 140
4.3.1 Struktur der Pattern Language 140
4.3.2 Angrenzende Mustersprachen 144
4.3.3 Repräsentation in einer Wissensbasis 145
4.3.4 Anwendungs- und Einsatzszenarien 148
4.3.5 Exemplarische Interaction Design Patterns 151
4.4 Zusammenfassung 168
5 Videobasierte CSCL-Scripts 171
5.1 Einführung 172
5.1.1 Hintergrund zu Scripts und CSCL-Scripts 172
5.1.2 Definition videobasierter CSCL-Scripts 175
5.1.3 Mehrwert und Potentiale 177
5.1.4 Typisierung videobasierter CSCL-Scripts 178
5.2 Spezifikation videobasierter CSCL-Scripts 184
5.2.1 Script-Komponenten 185
5.2.2 Script-Mechanismen 194
5.3 Modellierung von CSCL-Scripts 197
5.3.1 Komplexitätslevel 200
5.3.2 Verwandte Systeme und Ansätze zur Modellierung von Scripts 201
5.3.3 Konzept für eine formale Repräsentation 206
5.3.4 Konzept zur Modellierung im User Interface 209
5.4 Zusammenfassung 212
6 Realisierung von Patterns und Scripts 215
6.1 VI-TWO: JavaScript Framework für interaktive Videos 216
6.1.1 Anforderungen 217
6.1.2 Verwandte Arbeiten 219
6.1.3 Architektur von VI-TWO 222
6.1.4 Videoplayer 224
6.1.5 Videoannotationen 225
6.1.6 Makrointeraktivität in Kollektionen von Videos 229
6.1.7 Autorenwerkzeuge 232
6.2 VI-LAB: CSCL-System für videobasierte CSCL-Scripts 235
6.2.1 Anforderungen 236
6.2.2 Architektur von VI-LAB 238
6.2.3 Modellierung videobasierter CSCL-Scripts 241
6.2.4 Monitoring 244
6.3 Anwendungsbeispiele für VI-TWO und VI-LAB 246
6.3.1 Vi-Wiki 246
6.3.2 IWRM education 247
6.3.3 VI-LAB (Version 1) auf Basis von Wordpress 247
6.3.4 VI-LAB (Version 2) auf Basis von node.js 248
6.3.5 Theresienstadt explained 249
6.4 Zusammenfassung 252
7 Schlussbetrachtung 255
7.1 Beitrag der Arbeit zur Forschung 255
7.2 Kritische Würdigung 256
7.3 Ausblick 257
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