Neue Lehrmethoden für Informatik - Ein Erfahrungsbericht !Dr. Peter Tröger, Fachgebiet Betriebssysteme und Middleware Schule trifft Uni im Wissenschaftsjahr 2014

Lehrmethoden der Informatik

2

Unterdessen …

3Massive Open Online Courses

■ Universitäre Lehre seit > 10 Jahren ■ Klassische Lehrveranstaltungen ■ Aufzeichnung von Vorlesungen in TeleTask ■ Submit - System für Programmierübungen ■ OpenHPI MOOC Kurs ■ „Parallel Programming Concepts“ ■ ~ 6500 internationale Teilnehmer in 2013 ■ 6 Wochen

■ Schülerkolleg ■ „Informatik ohne Stecker“ seit 2010 ■ „Natürliches Programmieren“

(M.Sc. Frank Feinbube)

Persönliche Erfahrungen

4

Hochschullehre

■ Vorbereitung ■ Kamera, Mikro, Folienaufzeichnung

■ Vorlesung ■ Kamera, Mikro

■ Nachbereitung ■ Schneiden nach Themen ■ Kodierung, Upload

■ Teilnehmer ■ 50% - 80% anwesend ■ Zeitoptimierung ■ Prüfungsvorbereitung

■ Sichtbarkeit im Internet

TeleTask

6

TeleTask - Sichtbarkeit Kurs „Betriebssysteme 1“ von 2012

7

■ Reguläre Lehrveranstaltung mit Programmieraufgaben ■ Mangel an Tutoren ■ Technischer Wildwuchs

Submit

8

Submit

9

Submit Web

Server

Students

Test Machines

Test Machines

Test Machines

■ Triviale Schnittstelle für Studenten ■ Unterstützung für Gruppenabgabe ■ Policy statt Programmierung ■ Kontrast zu Moodle

■ Automatische Validierung ■ Entpacken und Übersetzen ■ Ausführung durch Überwachungsskript ■ Erwartete Ausgaben ■ Beobachtetes Verhalten ■ Feedback vor der Abgabefrist ■ Erweiterter Testlauf nach Abgabefrist

■ Bewertung ?

Submit

10

Submit Web

Server

Students

Test Machines

Test Machines

Test Machines

Ein Trend …

11

codeacademy.com

code.org

■ 6 Wochen Kurs ■ 60 - 90 Minuten pro Woche ■ Einheiten von 10 - 15 Minuten ■ Selbsttest via Quiz nach jeder Einheit ■ Wochentest via Quiz (bewertet)

■ Abschlussklausur via Quiz (bewertet) !

■ Nutzerforum ■ eMail Hilfesystem ■ direkte eMail !

■ 1 Dozent, 2 Doktoranden, 2 Studenten

OpenHPI „Parallel Programming Concepts“

12

MOOC - Voraussetzungen

13

■ Knappe zeitliche Planung ■ 2 Wochen Vorlauf, Bezug auf Feedback

■ 90 Minuten Material ■ 1 Vormittag Aufzeichnung (eingespieltes Team) ■ 1 Woche inhaltliche Vorbereitung

(Folien, Testfragen, Review) ■ Gleichbleibende Problematik wie in allen Kursen ■ Fachliche Qualität der Videos / Folien ■ Länge der Videobeiträge ■ Stringente inhaltliche Planung ■ Eindeutigkeit der Testfragen - „Re-Grading“ ■ Stil im Forum

OpenHPI „Parallel Programming Concepts“

0,0 %

2,0 %

4,0 %

6,0 %

8,0 %

daytime

0 2 4 6 8 1012141618202224

OpenHPI Quiz

15

OpenHPI Quiz

16

■ Internet als Lehrplattform ■ Flexibilität und Spaß für Studenten ■ Sichtbarkeit und Aufwand für Dozenten ■ ‚Rufschädigung‘ wird überschätzt ■ Technischer Aufwand wird unterschätzt ■ Lebenslanges Lernen wird real ■ Tendenziell höhere Qualität ■ Praxiserfahrung (für Dozenten) wichtig

■ Online - Videos ersetzen Vorlesung ? Online - Programmierübungen ersetzen Laborarbeit ? ■ Faszinierende Skalierbarkeit ■ Persönliche Interaktion bleibt essentiell, reflektiert in Noten ■ Ergänzung statt Ersatz

TeleTask, Submit, OpenHPI

17

Schülerkolleg

Schülerkolleg Sekundarstufe I (Klasse 7 - 10)

19

Einsteiger (Gruppe Rot)

Informatik ohne Stecker

Natürliches Programmieren

Phidgets und Etoys

Fortgeschrittene (Gruppe Blau)

Mobile Roboter Modellierung 3D - virtueller

Welten

Internetsuche und Google Page-Rank

Modul 1 Modul 2 Modul 3

■ Spielerische Vermittlung der Grundlagen der Informatik ■ Wie kann ein Computer so schnell suchen? ■ Warum kann der gleichzeitig Chinesisch und Deutsch? ■ Auf welche Weise kann ein Computerfax Bilder übertragen? ■ Warum ist im Internet nie besetzt? !

■ Keine Computer ■ Keine Programmierung !

■ Anwendung des Wissens bei „natürlicher Programmierung“

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

20

■ Adaption aus verschiedenen Quellen ■ „Computer Science Unplugged“ ■ „Computer Science & Engineering for K-12“ ■ „Children and technology“ ■ Diverse K-12 Programme

■ Modul 1 - Binärsystem, Zeichen- und Bildkodierung, Kompression, Fehlerkorrektur

■ Modul 2 - Suchen und Sortieren ■ Modul 3 - Programminstruktionen, Zustandsautomaten ■ Modul 4 - Routing, Leitungsvermittlung, Paketvermittlung ■ Modul 5 - Verschlüsselung, Datensicherheit ■ Kooperation mit Lehrern (Fr. Handke, Fr. Thomae)

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

21

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

22

Übungsblatt: Kinder-Fax

Das erste Bild ist das einfachste Bild, das letzte das Schwierigste. Verwende am besten einen Bleistift und einen Radiergummi !

Photocopiable for classroom use only. 17 © 2002 Computer Science Unplugged (www.unplugged.canterbury.ac.nz)

Worksheet Activity: Kid Fax The first picture is the easiest and the last one is the most complex. It is easy to make mistakes and therefore a good idea to use a pencil to colour with and have a rubber handy!

4, 11 4, 9, 2, 1 4, 9, 2, 1 4, 11 4, 9 4, 9 5, 7 0, 17 1, 15

6, 5, 2, 3 4, 2, 5, 2, 3, 1 3, 1, 9, 1, 2, 1 3, 1, 9, 1, 1, 1 2, 1, 11, 1 2, 1, 10, 2 2, 1, 9, 1, 1, 1 2, 1, 8, 1, 2, 1 2, 1, 7, 1, 3, 1 1, 1, 1, 1, 4, 2, 3, 1 0, 1, 2, 1, 2, 2, 5, 1 0, 1, 3, 2, 5, 2 1, 3, 2, 5

6, 2, 2, 2 5, 1, 2, 2, 2, 1 6, 6 4, 2, 6, 2 3, 1, 10, 1 2, 1, 12, 1 2, 1, 3, 1, 4, 1, 3, 1 1, 2, 12, 2 0, 1, 16, 1 0, 1, 6, 1, 2, 1, 6, 1 0, 1, 7, 2, 7, 1 1, 1, 14, 1 2, 1, 12, 1 2, 1, 5, 2, 5, 1 3, 1, 10, 1 4, 2, 6, 2 6, 6

Für nicht-kommerzielle Lehrzwecke frei verwendbar und kopierbar.

Rückmeldungen, Kritik und Lob bitte an unplugged@troeger.eu.

Informatik ohne Stecker

16 Photocopiable for classroom use only. © 2005 Computer Science Unplugged (www.unplugged.canterbury.ac.nz)

!"#$%&'()*+$,-.-/*$01$2/30)*'$

� A letter “a” from a computer screen and a magnified view showing the pixels that make up the image

!"#$"#!#%"#!#!"#%#&"#!"#$"#!#&"#!"#$"#!#!"#%#

� The same image coded using numbers

# # # # # #

# # # # # #

# # # # # #

# # # # # #

# # # # # #

# # # # # #

� Blank grid (for teaching purposes)

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

23

72 Photocopiable for classroom use only. © 2005 Computer Science Unplugged (www.unplugged.canterbury.ac.nz)

Sorting Networks

Prior to the activity use chalk to mark out this network on a court.

Instructions for Children

This activity will show you how computers sort random numbers into order using a thing called a sorting network.

1. Organise yourselves into groups of six. Only one team uses the network at a time.

2. Each team member takes a numbered card.

3. Each member stands in a square on the left hand (IN) side of the court. Your numbers should be in jumbled order.

4. You move along the lines marked, and when you reach a circle you must wait for someone else to arrive.

5. When another team member arrives in your circle compare your cards. The person with the smaller number takes the exit to their left. If you have the higher number on your card take the right exit.

6. Are you in the right order when you get to the other end of the court?

If a team makes an error the children must start again. Check that you have understood the operation of a node (circle) in the network, where the smaller value goes left and the other goes right. For example:

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

24

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

25

Übungsblatt: Wie ein Computer funktioniert - Anzeige

Hallo Anzeige !

Deine Aufgabe ist es, auf Anweisung der CPU einen Punkt zu zeichnen. Finde dazu die passende Spalte für den übergebenen X-Wert und die passende Zeile für den übergebenen Y-Wert.

Zeige das Bild nicht deinen Gruppenpartnern, so lange die CPU ihre Anweisungen noch nicht abgearbeitet hat !

Informatik ohne Stecker

Für nicht-kommerzielle Lehrzwecke frei verwendbar und kopierbar. (C) cse4k12.orgRückmeldungen, Kritik und Lob bitte an unplugged@troeger.eu.

Übungsblatt: Wie ein Computer funktioniert - CPU

Hallo CPU !Dein Job als Central Processing Unit (CPU) ist es, das folgende Programm auszuführen und den anderen Komponenten zu sagen, was sie zu tun haben. Mathematische Kommandos („Addiere 5 mit X“) sollten an die ALU geschickt werden. Zeichenkommandos („Zeichne x,y“) sollten an die Anzeige geschickt werden. Dafür musst du zunächst die ALU um die aktuellen Werte für X und Y bitten, und diese dann an den Bildschirm übergeben.

Informatik ohne Stecker

Addiere 5 zu XAddiere 3 zu YZeichne (x,y)Addiere 1 zu XAddiere 3 zu YZeichne (x,y)Subtrahiere 3 von XSubtrahiere 1 von YZeichne (x,y)Subtrahiere 2 von XSubtrahiere 2 von YZeichne (x,y)Addiere 4 zu XSubtrahiere 2 von YZeichne (x,y)Addiere 2 zu XAddiere 2 zu YZeichne (x,y)Subtrahiere 3 von XAddiere 4 zu YZeichne (x,y)Addiere 1 zu XZeichne (x,y)Subtrahiere 2 von XZeichne (x,y)Subtrahiere 2 von XSubtrahiere 2 von Y

Zeichne (x,y)Subtrahiere 1 von YZeichne (x,y)Addiere 6 zu XZeichne (x,y)Addiere 1 zu YZeichne (x,y)Subtrahiere 2 von XZeichne (x,y)Subtrahiere 3 von XAddiere 1 zu YZeichne (x,y)Subtrahiere 4 von YZeichne (x,y)Addiere 4 zu XZeichne (x,y)Subtrahiere 3 von XAddiere 1 zu YZeichne (x,y)Subtrahiere 2 von YZeichne (x,y)Addiere 1 zu XZeichne (x,y)Addiere 4 zu YZeichne (x,y)FERTIG !

Für nicht-kommerzielle Lehrzwecke frei verwendbar und kopierbar. (C) cse4k12.orgRückmeldungen, Kritik und Lob bitte an unplugged@troeger.eu.

Informatik ohne Stecker

Übungsblatt: Wie ein Computer funktioniert - ALU

Hallo ALU !

Dein Job als Arithmetic Logical Unit (ALU) ist es, einfache Additionen und Subtraktionen auf X und Y im Auftrag der CPU durchzuführen. Zusätzlich arbeitest du noch als Speicher für die aktuellen Werte von X und Y, damit dich die CPU jederzeit danach fragen kann.

Fülle die Tabelle mit den Werten. Die initiale Belegung ist 0.

Für nicht-kommerzielle Lehrzwecke frei verwendbar und kopierbar. (C) cse4k12.orgRückmeldungen, Kritik und Lob bitte an unplugged@troeger.eu.

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

26

1 3

2

Jj

GgKk

5

64

11

12

13

10

9

8

7

Aa

Bb

Cc

Dd

Ee

Ff

Hh

Ii

Ll

Mm

Nn

Oo

Pp

How the Internet Works

Network Diagram

www.cse4k12.org/internet/how-internet-works.html

Router Nr.1IP Adresse Hauptroute Ersatzroute

74.*.*.* I J

87.*.*.* D G

192.*.*.* G J

198.*.*.* H -

199.*.*.* J G

208.*.*.* G J

Von: 87.143.46.82 (du)

An: 74.125.39.105 (google.de)

„Bitte sende mir die Webseite mit der Adressehttp://www.google.de/“

google.de74.125.39.105

google.de74.125.39.105

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

27

■ Asymmetrische Verschlüsselung ■ Prinzip der Einwegfunktionen ■ Multiplikation großer Primzahlen vs.

Primfaktorzerlegung ■ Öffentlicher Schlüssel aus privaten

Schlüssel abgeleitet (Pärchen) ■ Umgekehrt nicht effizient berechenbar

■ Public Key -> Digitales ‚Schloss‘ ■ Private Key -> Digitaler ‚Schlüssel‘ ■ Analogie hinkt ■ Kinder verstehen trotzdem die Grundidee

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

28

Sender Empfänger

Sender Empfänger

Schülerkolleg Informatik ohne Stecker

29

■ Neue Lehrmethoden für Informatik ■ Internet-basierte Vorlesung und Programmierübungen ■ Sofortiges Feedback statt Abgabe-Kontrolle-Rückgabe Zyklus

■ Eigene Online-Materialien ■ Hoher initialer Aufwand, technische Umgebung muss stimmen ■ Leichte Wiederverwendung

■ Informatik ohne Stecker ■ Spielerische Wissensvermittlung, bringt trotzdem solide Ergebnisse

■ Immer gute Ergänzung zu klassischen Methoden, kein Ersatz

Zusammenfassung

30

http://www.hpi.de/open-campus/schuelerakademie.html

http://www.troeger.eu/unplugged

https://www.tele-task.de