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  • Kirsten Schlüter: Ansätze zur Modellierung informatischer Anforderungen und Fähigkeiten von Schülern auf der Basis von Aufgabenmerkmalen
    Dissertation Informatik, 2015 , Betreuer: Prof. Dr. Torsten Brinda Details

    Für das junge Schulfach Informatik existieren meist nicht empirisch sondern fachlich begründete Kompetenzmodelle, die einen Sollzustand beschreiben. Bislang fehlen Ansätze, die den Istzustand modellieren und einen Bezugsrahmen liefern, in dem informatikspezifische Anforderungen von Aufgaben und die korrespondierenden Fähigkeiten von Schülern darstellbar sind. In dieser Arbeit wird eine Methodik erprobt, ein solches Strukturmodell auf empirisch-analytischem Weg zu gewinnen. Das Modell soll sichtbar machen, welche Dimensionen das System kognitiver Anforderungen und Fähigkeiten aufspannen, die charakteristisch für die Informatik in der Sekundarstufe sind.
    Als umfangreiches Untersuchungsmaterial stehen die Aufgaben und Schülerantworten des Online-Wettbewerbs Informatik-Biber zur Verfügung, der jährlich mehrere Tausend Teilnehmer aller Schularten und Jahrgangsstufen der Sekundarstufe verzeichnet, Mädchen wie Jungen. Davon ausgehend, dass neben dem Fachinhalt kognitive Kriterien wie der Abstraktionsgrad oder die Lernzielstufe die Aufgabenschwierigkeit bestimmen, wird ein Katalog informatikspezifischer Merkmale erstellt. In einer Expertenbefragung werden die Wettbewerbsaufgaben nach den Merkmalen klassifiziert.
    Eine Clusteranalyse der Aufgaben arbeitet vier Typen heraus: Wiedergabe, Verständnis, Anwendung und Problemlösung, die als Anforderungsdimensionen interpretiert werden. Weiter führt die Idee, dass ein Schüler, der etwa abstrakte Aufgaben löst, die Fähigkeit besitzt, mit Abstraktion umzugehen. Die Aufgabenmerkmale werden mit den Antwortmustern der Teilnehmer zu Merkmalsmustern verknüpft. Faktorenanalysen dieser Muster berechnen Faktoren, die als Fähigkeitsdimensionen interpretiert werden. Hier tritt die Datenproblematik zutage, die darin besteht, dass die Merkmale bereits im Aufgabensatz nur in bestimmten Kombinationen vorkommen. Sie sind konfundiert.
    So ist das Ergebnis der Aufgabenanalyse ein fundierter Entwurf eines mehrdimensionalen Anforderungsmodells. Der Ertrag aus der Analyse der Schülerantworten und Merkmalsmuster ist zunächst ein Vorgehensbericht, der auch die Konfundierung thematisiert, die die Gültigkeit des Fähigkeitsmodells in Frage stellt. Um die Fähigkeitsdimensionen zu überprüfen, wird ein Leitfaden für weitere Iterationen der Modellentwicklung erstellt, der die gezielte Aufgabenkonstruktion emp fiehlt.


    Most competence models for informatics in secondary education are determined according to the structure of the subject. Therefore they represent the target state. Up to now, models representing the actual state, derived from empirical results, are rarely described. There is a strong need for approaches to describing the actual state in terms of task requirements and student abilities. In this thesis an empirical statistical procedure of developing a structural model is proven. The aim is to visualize the dimensions spanning the system of characteristic cognitive requirements and corresponding abilities relevant in computer science in secondary education.
    The German Informatik-Biber is member of an international initiative for the promotion of informatics, addressing students of all types of secondary school, girls and boys. The yearly contest with thousands of participants provides extensive and rich data for the investigation. Assuming that the task difficulty, beneath contents, depends on cognitive characteristics, a catalogue of criteria is specified. Criteria are, for example, the level of abstraction, or Bloom's taxonomic level of learning goals. The tasks of the Informatik-Biber are classified into criteria categories through expert rating.
    A cluster analysis of the classified tasks results in four types: reproduction, comprehension, application, and problem solving. The types are interpreted as four dimensions of task requirements. The idea that someone who is able to solve abstract tasks is capable to deal with abstraction, as an example, leads even further. The criteria and the students' answer patterns are combined to students' criteria patterns. Factor analyses result in factors that can be interpreted as dimensions of students' abilities. At this point a problem of the task set emerges: some criteria cannot be separated from each other because they only occur in certain combinations.
    So there are two conclusions. Task analysis results in a multidimensional model of task requirements, while pattern analysis of student answers does not result in a valid model. In fact the outcome is a guideline for continuing iterations of model development, placing emphasis on the construction of tasks, eliminating the problem of confounded variables. The intention is to prove the dimensions of student abilities.

  • Ulrich Kiesmüller: Prozessbegleitende automatisierte Identifizierung von Problemlösestrategien Lernender beim Lösen algorithmischer Probleme mit Programmierumgebungen in der Sekundarstufe I, Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, Technische Fakultät, 2012
    Dissertation Informatik, 2012 , Betreuer: Prof. Dr. Torsten Brinda Details

    Lehrende der Informatik werden im Teilbereich der Algorithmik und Programmierlehre immer wieder mit Fragen konfrontiert wie "Auf welche Weise sind die Lernenden zu ihren Lösungsansätzen gelangt?" oder "Was haben sich die Programmieranfänger bei ihren letzten Implementierungsschritten gedacht?". Eine Beantwortung derartiger Fragen kann für Lehrende hilfreich sein, um die Lernenden möglichst effektiv bei ihrem weiteren Lösungsweg zu unterstützen oder ihre Lösungsansätze differenzierter zu bewerten als lediglich mit "völlig korrekt" bzw. "falsch". Bisherige Studien dazu setzen bei der Suche nach Antworten auf obige Fragen meist Methoden ein, die lediglich eine nachträgliche Analyse der Vorgehensweisen der Lernenden mit hohem Zeitaufwand ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe eine prozessbegleitende, automatisierte Identifizierung der Problemlösestrategien Lernender durchführbar ist, wenn diese algorithmische Aufgabenstellungen mittels der Programmierumgebung "Kara, der programmierbare Marienkäfer" bearbeiten. Grundlage hierfür bilden Methoden und Algorithmen aus dem Bereich der Mustererkennung, die in der automatischen Spracherkennung bereits lange erfolgreich eingesetzt werden. Diese werden angepasst auf die hier betrachtete Problemstellung und als eigenes Modul in die Programmierumgebung integriert. Eine Studie zur Validierung der Ergebnisse des entwickelten Identifizierungsmoduls ergab eine sehr hohe Übereinstimung der automatisiert identifizierten Problemlösestrategien mit den Ergebnissen menschlicher Beobachter. Auf den Resultaten des Untersuchungsund Analysewerkzeugs basiert die Gestaltung von individualisierten Systemrückmeldungen, durch welche die Lernenden adaptiert an ihre jeweilige Vorgehensweise bei der weiteren Lösung unterstützt werden. Hierbei werden auch Aspekte der Attributionsforschung berücksichtigt, um durch die Feedbackgestaltung die Lernenden bestmöglich bei ihrer Problemlösung zu motivieren. Bei der Entwicklung der Verfahren und Werkzeuge wurde darauf geachtet, eine gute Übertragbarkeit auf viele Programmierumgebungen zu gewährleisten. Selbst eine Anwendung in Lernumgebungen außerhalb der Infomatik ist denkbar. Außerdem lassen sie sich für weitere Studien einsetzen, welche die Problemlösestrategien Lernender unter weiteren Aspekten wie z. B. Abhängigkeit der bevorzugt eingesetzten Strategien von Faktoren wie Alter, Geschlecht, Leistungsfähigkeit in anderen Fächern untersuchen.

  • Stefan Freischlad: Entwicklung und Erprobung des Didaktischen Systems Internetworking im Informatikunterricht, Dissertation, Universität Siegen, Fachbereich 12 – Elektrotechnik und Informatik, 2009
    Dissertation Informatik, 2009 , Betreuer: Prof. Dr. Sigrid Schubert (Univ. Siegen) Details
  • Matthias Spohrer: Konzeption und Analyse neuer Maßnahmen in der Fort- und Weiterbildung von Informatiklehrkräften
    Dissertation Informatik, 2009 , Betreuer: Prof. Dr. Peter Hubwieser (TU München) Details

    In der aktuell geführten Diskussion zum lebenslangen Lernen wird einerseits die große Bedeutung der Zeit- und Ortsunabhängigkeit berufsbegleitender Weiterbildungsmaßnahmen betont, andererseits ist im Bereich Lernen mit neuen Medien eine Umorientierung von der Fern- zur Präsenzlehre feststellbar, wodurch die gewünschte Flexibilität wieder eingeschränkt wird. Anhand der langjährigen Erfahrungen des Fachgebiets „Didaktik der Informatik“ an der Technischen Universität München in der Lehrerweiterbildung soll untersucht werden, wie weit sich der Präsenzanteil reduzieren lässt, womit die Betreuung durch Tutoren ersetzt werden kann und welche Zielgruppe für ein derartiges Konzept geeignet ist.

    Ausgehend von unterschiedlichen Theorien des Lehrens und Lernens, einschließlich dem aktuellen Forschungsstand im Bereich E-Learning und Blended Learning, analysiert diese Arbeit in einem ersten Schritt vergangene Weiterbildungsmaßnahmen zur Nachqualifikation von Informatiklehrkräften, um daraus ein Vorgehen zur Umgestaltung bzw. Konzeption neuer Ansätze ableiten zu können, bei denen Betreuung und Präsenzphasen möglichst gering sind, was in hohem Maße Selbständigkeit und Eigeninitiative der Studierenden erfordert.

    In einem zweiten Schritt werden die Entwürfe in einem Pilotprojekt erprobt und evaluiert. Dafür gib es ein geeignetes Forschungsfeld: Seit dem Schuljahr 2003/04 ist Informatik Pflichtfach an bayerischen Gymnasien. Für den Informatikunterricht fehlen jedoch trotz diverser Maßnahmen nach wie vor qualifizierte Lehrkräfte, zudem stehen kaum finanzielle Ressourcen für eine flächendeckende Nachqualifizierungsmaßnahme zur Verfügung. Es müssen daher alternative Lösungen gefunden werden, mit denen möglichst kostenneutral weiteres Lehrpersonal ausgebildet werden kann. Ein Konzept, welches die Forderung nach möglichst großer Flexibilität bei möglichst geringen Kosten weitgehend erfüllt, ist das neu entwickelte und in dieser Arbeit ausführlich vorgestellte und evaluierte Projekt FLIEG.

    Anhand zweier exemplarisch ausgewählter Module werden sowohl die strukturellen, organisatorischen als auch die fachlich-inhaltlichen und didaktischen Konzepte analysiert und anhand empirischer Untersuchungen bewertet. Im Gegensatz zu verwandten Arbeiten wird in der vorliegenden Abhandlung ein Gesamtkonzept für eine umfassende Weiterbildungsmaßnahme vorgestellt, welches beabsichtigt, den Aufwand und damit die Kosten für den Lehrenden auf ein Minimum zu reduzieren, wobei stark auf die Eigeninitiative der Lernenden gesetzt wird. Gerade im Bereich der Fortbildung von Lehrkräften verlässt der Autor die bislang übliche Struktur der „passiven Teilnahme ohne Lernzielkontrolle“ und betritt damit ein neues Forschungsfeld.