Entwicklung eines Kompetenzmodells für objektorientierte Programmierung

Entwicklung eines Kompetenzmodells für objektorientierte Programmierung

Projektbeschreibung

Kooperationsprojekt mit Didaktik der Informatik, München

In den vergangenen Jahren hat sich in vielen Fachdidaktiken das Thema der Kompetenzmodellierung als Reaktion auf die nationalen PISA-Ergebnisse als einen ihrer Forschungsschwerpunkte etabliert. Speziell zu diesem Thema wurde das DFG-Schwerpunktprogramm 1293 "Kompetenzmodelle zur Erfassung individueller Lernergebnisse und zur Bilanzierung von Bildungsprozessen" eingerichtet, in welchem verschiedene Projekte aus unterschiedlichen Fachdidaktiken vereint wurden. In der Didaktik der Informatik haben sich in den letzten Jahren zwei Forschungsprojekte diesem Thema gewidmet. Zum einen wurde im Verlauf des DFG-Projektes MoKoM untersucht, wie sich Kompetenzen im Themenbereich "Modellieren und informatisches Systemverständnis" beschreiben lassen. Zum anderen wurde im BMBF-Projekt KUI analysiert, über welche Kompetenzen zukünftige Lehrende im Bereich der Informatik verfügen müssen. Zu vielen weiteren und wichtigen Inhaltsfeldern der Informatik sind bislang noch keine empirisch fundierten Modelle bekannt.

Ein solches Themenfeld, das besondere Relevanz in den deutschen Gymnasiallehrplänen sowie den Anfangsvorlesungen an Hochschulen genießt, ist die Einführung in die objektorientierte Programmierung (OOP). In Schulen lernen die Schülerinnen und Schüler zuvor zu lebensweltlichen Problemstellungen analysierte und ggfs. entworfene Systeme damit zu verstehen, weiterzuentwickeln oder selbstständig zu gestalten, auch mit den Zielen, die Möglichkeiten und Grenzen solcher Informatiksysteme zu bewerten und ihr problemlösendes Denken systematisch weiterzuentwickeln. Aufgrund der Praxisrelevanz ist auch an Universitäten die Einführung in die Programmierung anhand einer objektorientierten Sprache der verbreitete Ansatz.

Um Lehr-Lern-Prozesse in diesem wichtigen Feld besser zu verstehen und für systematische Vergleiche im Großen zugänglich zu machen, ist es das Ziel dieses Vorhabens, ein Kompetenzmodell mit zugeordneten Messinstrumenten für einen relevanten Ausschnitt aus diesem Gebiet für den schulischen Bereich zu entwickeln. Das Erlernen des Programmierens stellt gerade für Anfängerinnen und Anfänger eine große Herausforderung dar, da Wissen zu Syntax und Semantik der Sprache, zur Handhabung der Werkzeuge, zu Programmierplänen und zum Problemlösen durchgängig verknüpft werden müssen. Ein entsprechendes Kompetenzmodell kann auch dazu beitragen, die Lehr-Lern-Prozesse und die begleitenden Unterrichtsmittel lerneradäquater zu gestalten.

Da sich Kompetenzen bspw. durch die Lösung entsprechender Testaufgaben sichtbar machen lassen, werden bestehende Aufgaben in Lehrbüchern, Handreichungen und Anfängervorlesungen analysiert und hinsichtlich der benötigten Fähigkeiten zur kompetenten Lösung dieser Aufgaben kategorisiert. Aus dieser Kategorisierung erfolgt die Herleitung eines normativen Kompetenzstrukturmodells. Die hinreichende Vollständigkeit und Korrektheit des entstandenen Modells wird durch Experteneinschätzungen aus Lehrpraxis und Fachdidaktik abgesichert. In Zusammenarbeit mit Vertretern aus Psychologie und Psychometrie wird das gewonnene Modell anschließend in ein psychometrisches Messmodell überführt. Im nächsten Schritt werden auf Basis des gewonnenen Messmodells Testitems erstellt, pilotiert, verbessert und anschließend einer repräsentativen Kohorte zur Verfügung gestellt. Dabei werden die gewonnenen Erkenntnisse durch die Anfertigung von Concept Maps bereichert. Die Auswertung der Items auf Gütemerkmale sowie die Bestimmung der Itemschwierigkeiten und Personenfähigkeiten erfolgen mittels Methoden aus der Item-Response-Theorie. Die gefundenen Ergebnisse sichern so das normative Modell empirisch ab.

Team Mitglieder

Matthias Kramer

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Prof. Dr. Torsten Brinda

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M.Ed. Mike Barkmin

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Publikationen

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  • Brinda, T.; Kramer, M.: Competency models in computing education. In: Tatnall, A. (Hrsg.): Encyclopedia of Education and Information Technologies. Springer, Cham 2019. doi:10.1007/978-3-319-60013-0_5-1 BIB Download Details
  • Striewe, M.; Kramer, M.: Empirische Untersuchungen von Lückentext-Items zur Beherrschung der Syntax einer Programmiersprache. In: Bergner, N.; Röpke, R.; Schroeder, U.; Krömker, D. (Hrsg.): Hochschuldidaktik der Informatik - HDI 2018. Universitätsverlag Potsdam, Potsdam 2018, S. 101-115. Volltext BIB Download Details
  • Kramer, M.; Barkmin, M.; Brinda, T.: Evaluating Submissions in Source Code Highlighting Tasks - Preliminary Considerations for Automatic Assessment. In: Mühling, A.; Cutts, Q.; Schwill, A. (Hrsg.): Proceedings of the 13th Workshop in Primary and Secondary Computing Education (WIPSCE 2018), Potsdam, Germany, 4.-6. Oktober 2018. ACM Press, New York 2018. doi:10.1145/3265757.3265775 Volltext BIB Download Details

    The reading and understanding of source code is a necessary prerequisite for prospective programmers to write their own code. Thus, a reasonable task is to determine certain concepts like class identifiers in a given source code. In order to automatically evaluate the responses, they must be quantified. Hence, it is vital to have reliable and valid methods of measurement. In this paper we apply different means of measurement on constructed examples and compare them. Cohen's κ seems to be an adequate measure.

  • Kramer, M.; Barkmin, M.; Tobinski, D.; Brinda, T.: Understanding the Differences Between Novice and Expert Programmers in Memorizing Source Code. In: Tatnall, A.; Webb, M. (Hrsg.): Tomorrow's Learning: Involving Everyone. Learning with and about Technologies and Computing 11th IFIP TC 3 World Conference on Computers in Education, WCCE 2017, Dublin, Ireland, July 3-6, 2017, Revised Selected Papers. Springer, Cham, Switzerland 2018, S. 630-639. doi:10.1007/978-3-319-74310-3_63 Volltext BIB Download Details

    This study investigates the difference between novice and expert programmers in memorizing source code. The categorization was based on a questionnaire, which measured the self-estimated programming experience. An instrument for assessing the ability to memorize source code was developed. Also well-known cognitive tests for measuring working memory capacity and attention were used, based on the work of Kellog and Hayes. Thirty-eight participants transcribed items which were hidden initially but could be revealed by the participants at will. We recorded all keystrokes, counted the lookups and measured the lookup time. The results suggest that experts could memorize more source code at once, because they used fewer lookups and less lookup time. By investigating the items in more detail we found that it is possible that experts memorize short source codes in semantic entities, whereas novice programmers memorize them line by line. Because our experts were significantly better in the performed memory capacity tests, our findings must be viewed with caution. Therefore, there is a definite need to investigate the correlation between working memory and self-estimated programming experience.

  • Barkmin, M.; Tobinski, D.; Kramer, M.; Brinda, T.: Code structure difficulty in OOP: an exploration study regarding basic cognitive processes. In: Proceedings of the 17th Koli Calling Conference on Computing Education Research . ACM Press, New York 2017, S. 185-186. doi:10.1145/3141880.3141913 Volltext BIB Download Details
  • Barkmin, M.; Kramer, M.; Tobinski, D.; Brinda, T.: Unterschiede beim Memorieren von Quelltexten zwischen NovizInnen und ExpertInnen der objektorientierten Programmierung. In: Diethelm, I. (Hrsg.): Informatische Bildung zum Verstehen und Gestalten der digitalen Welt (GI-Fachtagung "Informatik und Schule - INFOS 2017", 13.-15.09.2017 in Oldenburg). Köllen, Bonn 2017, S. 407-408. Volltext BIB Download Details

    Dieser Artikel befasst sich mit den unterschiedlichen Vorgehensweisen von ExpertInnen und NovizInnen der Programmierung beim Memorieren und Interpretieren von Quelltexten. ExpertInnen haben die Quelltexte überwiegend auf einer semantischen Ebenen memoriert, NovizInnen hingegen zeilenweise.

  • Kramer, M.; Samimi, V.; Brinda, T.: Entwicklung eines Online-Tools zur Bestimmung objektorientierter Programmierkompetenzen. In: Diethelm, I. (Hrsg.): Informatische Bildung zum Verstehen und Gestalten der digitalen Welt (GI-Fachtagung "Informatik und Schule - INFOS 2017", 13.-15.09.2017 in Oldenburg). Köllen, Bonn 2017, S. 425-426. Volltext BIB Download Details

    Basierend auf einem theoretisch hergeleiteten Kompetenzmodell für objektorientierte Programmierung wird ein Prototyp eines Messwerkzeuges zur empirischen Bestimmung solcher Kompetenzen vorgestellt. Erste Tests existieren bereits, zukünftige Tests werden skizziert.

  • Kramer, M.; Tobinski, D.; Brinda, T.: Modelling Competency in the Field of OOP: From Investigating Computer Science Curricula to Developing Test Items. In: Processing, International Federation For Information (Hrsg.): Stakeholders and Information Technology in Education. Springer, Cham, Switzerland 2016, S. 37-46. BIB Download Details
  • Kramer, M.; Tobinski, D.; Brinda, T.: On the Way to a Test Instrument for Object-Oriented Programming Competencies. In: Proceedings of the 16th Koli Calling International Conference on Computing Education Research. ACM Press, New York 2016, S. 145-149. doi:10.1145/2999541.2999544 Volltext BIB Download Details
  • Kramer, M.; Hubwieser, P.; Brinda, T.: A Competency Structure Model of Object-Oriented Programming. In: 2016 International Conference on Learning and Teaching in Computing and Engineering (LaTICE). IEEE, Mumbai 2016, S. 1-8. Volltext BIB Download Details
  • Brinda, T.; Hubwieser, P.; Kramer, M.; Ruf, A.: Towards a Competency Model for Object-Oriented Programming. In: Dagiene, V; Schulte, C.; Jevsikova, T. (Hrsg.): Innovation and Technology in Computer Science Education - ITiCSE - 2015. ACM New York, NY, USA, 2015, S. 345-345. doi:10.1145/2729094.2754848 Volltext BIB Download Details
  • Kiesmüller, Ulrich: Prozessbegleitende automatisierte Identifizierung von Problemlösungsstrategien Lernender beim Lösen algorithmischer Probleme mit Programmierumgebungen in der Sekundarstufe I. Shaker Verlag, Aachen 2013. BIB Download Details
  • Brinda, T.; Puhlmann, H.; Schulte, C.: Bridging ICT and CS - Educational Standards for Computer Science in Lower Secondary Education. In: Acm (Hrsg.): Proceedings of the 2009 ACM SIGCSE Annual Conference on Innovation and Technology in Computer Science Education (14th Annual Conference on Innovation and Technology in Computer Science Education (ITiCSE 2009), Paris). ACM Press, New York 2009, S. 288-292. BIB Download Details

    Recently, the importance of computer science education in secondary schools has been coming more and more into focus. Students' interests and motivation to pursue a career in CS related fields are highly influenced by school. Also beliefs in the nature of CS are influenced, and necessary foundations in knowledge and skills are built. However, a major problem is the gap between information and communication technologies (ICT) and computer science (CS). Often pupils have only experiences in ICT, and therefore develop inadequate beliefs about CS. We propose educational standards for CS in lower high school in order to bridge ICT and CS.

    Full text in the ACM Digital Library

  • Schulte, C.; Brinda, T.: Beiträge der Objektorientierung zu einem Kompetenzmodell des informatischen Modellierens. In: Friedrich, S. (Hrsg.): Unterrichtskonzepte für informatische Bildung. Köllen, Bonn 2005, S. 137-148. BIB Download Details

    In zwei informatikdidaktischen Forschungsprojekten (Laufzeit 2000-2004) in NRW wurden Konzepte zum objektorientierten Modellieren im Informatikunterricht der Sekundarstufe II entwickelt und erprobt. Dabei wurden Erkenntnisse über Erfolge und Schwierigkeiten von Lernenden in diesem Bereich gewonnen. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse werden im vorliegenden Beitrag mit dem Ziel der Entwicklung eines Kompetenzmodells Schlussfolgerungen zur Identifikation und zur Beschreibung von Kompetenzen und möglichen Abstufungen in diesem Bereich abgeleitet.

    Volltext

  • Brinda, T.: Preparing educational standards in the field of object-oriented modelling. In: Magenheim, J.; Schubert, S. (Hrsg.): Informatics and student assessment. Concepts of empirical research and standardization of measurement in the area of didactics of informatics. Köllen, Bonn 2004, S. 11-22. BIB Download Details
  • Brinda, T.: Integration of new exercise classes into the informatics education in the field of object-oriented modelling. In: Education and Information Technolgies, Jg. 9 (2004) Nr. 2, S. 117-130. BIB Download Details
  • Brinda, T.: Didaktisches System für objektorientiertes Modellieren im Informatikunterricht der Sek. II (1). Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Universität Siegen 2004. BIB Download Details