JanNiklas Kettenburg Experimente im Informatikunterricht Entwicklung Durchfhrung und

Jan-Niklas Kettenburg Experimente im Informatikunterricht Entwicklung, Durchführung und Evaluation von Schülerversuchen zum Thema „Datenübertragung“ Masterarbeit-Abschlusspräsentation 21. März 2016

Gliederung • Einleitung • Experimente in Naturwissenschaften • Experimente in der Informatik und zentrale Begriffe • Meine Experimente • Entwicklung der Evaluation • Durchführung • Ergebnisse der Evaluation • Fazit • Ausblick

Einleitung • Experimente in Naturwissenschaften verbreitet • Aber: kaum Experimente in der Informatik • Ziel der Arbeit: – Fragestellung: Wie und wozu kann Experimente im Informatikunterricht einsetzen? – Anschließend: Exemplarische Entwicklung und Durchführung von drei Experimenten.

Experimente in den naturwissenschaftlichen Fächern • Lange Tradition sowohl der Fächer als auch des Experimentierens im Unterricht – Beispiel Chemie: seit den 1890 ern • Ziele des Experimentierens: – Abbild der wissenschaftlichen Arbeit • Hypothesen aufstellen und überprüfen (Kreislauf) • Offenes Ende – Wagenschein: Motivierende Phänomene als mögliche Vorstellung

Experimente in den naturwissenschaftlichen Fächern • Ist-Zustand: – Demonstrationsexperimente durch Lehrer – Triviale Experimente – Praktisch nie selbst entwickelt – Kochbuchartiges Experimentieren • Muckenfuß: Dominanz entindividualisierender Formen praktizierter Schülerselbsttätigkeit

Experimente in der Informatik • Plädoyer von Carsten Schulte (2012) – Ziel: Interesse steigern, vor allem bei Mädchen – Methode: Verbindung von Struktur und Funktion • Menschengemachte Dinge statt Erforschung der Natur – „Digitales Artefakt“ (Schulte und Dörge, 2008) – Keine (ausdrücklichen) Hypothesen • Gut kombinierbar mit anderen Konzepten: – Phänomene (Wagenschein, 1976) – Didaktischer Rekonstruktion (Diethelm et al. , 2011) – Informatik im Kontext (Diethelm und Dörge, 2011)

Meine Experimente • Entwicklung mit didaktischer Rekonstruktion und Informatik im Kontext • Durchführung als Stationsarbeit um alle Stationen überprüfen und vergleichen zu können • Themen der Stationen: – Funkwecker – Zeichen übertragen – Trace Route

Experiment 1: Funkwecker

Experiment 1: Funkwecker • Entstanden durch persönliches Erlebnis • Funkwecker sind verbreitetes Artefakt • Falschgehen ungewöhnlich – Sehr einfacher Code • Paritätsbits (gerade Parität) schwache Fehlererkennung • BCD-Code statt normalem Binärsystem • Sehr langsame Übertragung mit 1 Bit/s – Binärcode live vom Oszilloskop abschreibbar

Experiment 1: Funkwecker

Experiment 1: Funkwecker • Aufgaben und Ziele – Methode: Manipulieren der Daten unter Beachtung des Paritätsbits • Echtes Signal darf nicht gestört werden, daher Webapp • Binärcode vom Oszilloskop abschreiben und ändern • [Webapp zeigen] – Ziel: Experimentelle Erschließung des Paritätsbit. Begriffs und des BCD-Codes – Zusätzlich: Grober Vergleich mit anderen den Lernenden bekannten Übertragungsverfahren • Internet ist millionenfach schneller

Experiment 2: Zeichen übertragen • Phänomen: Verschiedene Geräte „verstehen“ sich • Computer kennen Zahlen, keine Buchstaben • Zentrales Thema: ASCII-Code – Kleinster gemeinsamer Nenner nahezu aller Zeichensätze • Fehlerverhalten Schülern möglicherweise bekannt – Grundlage für heutigen Unicode-Standard • Grundlage für Smileys in Whats. App und Twitter – Zeichen teilweise systematisch angeordnet

Experiment 2: Zeichen übertragen • Methode: Zeichen herausfinden – Verwendung von Tobias‘ Hardware („Bit. Swapper“) • • • Bits mit Hebelchen einstellen Eigenen Namen schreiben Motivation durch „was zum Anfassen“ Alternativ Webapp möglich [Web. App zeigen] • Ziel: Verstehen, wie ein Computer Zeichen verarbeitet

Experiment 3: Trace Route • Kontext: NSA-Spähaffäre, Prism, Snowden – Was bedeutet das für uns? • Methode: Verwendung echter Systemtools – Anschließend: orten und Route malen – Interessante Zielserver vorgegeben Seattle 110 ms 175 ms 85 ms Paris s 10 m 90 m s Seoul 165 ms s 120 m Houston 30 ms 85 m s San Francisco 85 ms NYC kiwibank. co. nz (tracert) kra. go. ke psc. gov. np unam. mx inteligencia. mil. ec coolenjoy. net 160 m s Aşgabat 18 0 m s 25 ms Kathmandu Neu. Delhi 12 5 m s Mexiko-Stadt Quito Kisumu Auckland Wellington

Entwicklung der Evaluation • Fragebogen – Ziel: Ehrliche Antworten durch Anonymität • Fragen zu jeder Station: – Vorwissen (Freitext) – Wurde die Station im Informatikunterricht erwartet? (Begründung, Freitext) – Schwierigkeitsgrad (5 -stufige Skala) – Bewertung (Schulnote) – Bewertung (Begründung)

Durchführung beim Schülerinformationstag • 22. Januar 2016 in A 14 • Nur wenige Schüler erreicht – Zwei 3 er- und eine 2 er-Gruppe • Deshalb nur Funkwecker-Station • Wurde gut aufgenommen

Durchführung in einer Schule • • Informatikkurs von Tobias Stuckenberg Realschule, Klasse 9, 13 Schüler, alle männlich Durchführung aller Stationen, rotierend Kam recht gut an, allerdings mit Problemen: – Kontext hat gefehlt • Hier zum Testen nicht anders möglich gewesen – Für eine Doppelstunde zu viel Stoff • Einzelne Station im Rahmen einer Einheit optimal • Aufteilung auf 2 Doppelstunden – Gruppen zu groß – Keine Anpassung an Lerngruppe da zu kurzfristig

Ergebnisse der Evaluation • Kaum Vorwissen • Themen meist im Informatikunterricht erwartet, aber kaum Begründungen • Rangfolge der Bewertung: 1. Zeichen übertragen (Note 1, 78) 2. Trace Route (Note 2) 3. Funkwecker (Note 2, 46) • Rangfolge von mir umgekehrt erwartet (nach Empfinden und Zeit für Entwicklung)

Ergebnisse der Evaluation • Eher geringer Schwierigkeitsgrad • Gewisse Korrelation zwischen geringem Schwierigkeitsgrad und guter Bewertung – Teilweise Note 1 trotz „viel zu einfach“ • Zuvor erwähnte Probleme bei der Durchführung auch von Schülern erkannt

Fazit • Experimente haben durchaus Spaß gemacht (laut Begründung und Schulnote) • Einbettung in Unterrichtskontext zwingend notwendig – Deshalb und aus zeitlichen Gründen: einzeln • Kleinere Gruppen sinnvoll – Höherer Hardware-Bedarf für Funkwecker. Aufgabe (alternativ Video? ) • Anpassung an Lerngruppe wünschenswert

Ausblick • Erneute Durchführung der Stationen unter Beachtung der Änderungsvorschläge • Feststellung eines geeigneten Zeitpunktes innerhalb einer Unterrichtseinheit • Überprüfung, ob sich Bewertungsrangfolge auch bei anderen Lerngruppen ergibt – Wie ursächlich sind die Bit. Swapper (Hardware) für die gute Bewertung der Station?