Entdeckendes Lernen im Informatik Unterricht

2. GI-HILL FachtagungInformatik-Unterricht

Ruedi Arnold

Hamburg, 29. Oktober 2005

1

…bei uns in der Schweizlassen sich Dinge entdecken! ;-)

2

Ruedi ArnoldDepartement InformatikETH Zürich

rarnold@inf.ethz.chhttp://people.inf.ethz.ch/rarnold/

…und wie sieht es in Hamburg mitentdeckendem Lernen aus? ☺

3

Umfrage: Wie habe ich gelernt?

Programmieren

Auto fahren

Schreibmaschine schreiben

Instrument spielen

Lesen / schreiben

Schwimmen

Kurs / SchuleHilfe (Eltern, Freunde, Bekannte)

Selbst entdecktFertigkeit

4

Das Programm heute

15‘ Vortrag „Entdeckendes Lernen“

35‘ Selbstständig am Computer entdecken

15‘ Besprechung / Diskussion / (Meta-)Reflexion

10‘ Abschluss

5

Ein Beispiel zum Einstieg: AspekteBehindertengerechter Webseiten

Aufgabe: Erkenntnisse (inkl. Begründung) zu „Blindengerechte Homepages“ schriftlich festhalten

Material:IBM Home Page Reader

DEMO! (Webseiten„vorlesen“ lassen)

6

Mögliche Erkenntnisse…

Technik- Ein Programm das Webseiten vorliest ist praktisch.- Homepage ohne Text lässt sich nicht vorlesen.- HTML-lang-Attribute ermöglichen korrekte Aussprache.

Gesellschaft- Es sollte gesetzliche Verpflichtung zu Sehbehinderten-

Tauglichkeit für Seiten staatlicher Institutionen geben.- Behindertengerechte Seiten können wirtschaftlich sein.

7

Motivation zum Beispiel

Blindenfreundliche Websites – na und?

Suchmaschinen funktionieren ähnlich!

Folgerungen Seitendesign und –aufbau, z.B.– Seitenaufbau: Was wird zuerst betrachtet/ gelesen?– Keine „unlesbare“ Navigations-Links (z.B. durch Bilder)– Reine Flash-Seiten können i.a. nicht indexiert werden

8

Entdeckendes Lernen

Kinder machenständig Entdeckungen...

…und Schüler?

9

Förderung von „Soft Skills“im Informatik-Unterricht… ?

Kreativität SelbstständigesArbeiten

GegenseitigerAustausch Kritisch denken

Eine Möglichkeit: Entdeckendes Lernen

10

Entdeckendes Lernen: Was ist zu beachten?

Offenheit des Themas– Freiheit für Schüler, selber etwas herauszufinden– Kein Lösen einer vorgegebenen Aufgabe

Material– Lehrperson stellt benötigtes Material vollständig zur Verfügung– Aufbereitung so, dass es Schüler/innen ohne Hilfe verstehen

Bewertung– Jeder ernst gemeinte Beitrag muss honoriert werden– Nicht nur vollständig korrekte Lösungen zählen bei der Beurteilung– Ideen und Lösungsansätze zählen auch

11

Entdeckendes Lernen:„einfach“ vs. „offen“

Einfaches Entdeckendes Lernen• Verschiedene Lösungen eines (festen) Problems• „Auf jedem Weg gibt es Interessantes zu entdecken. Hauptsache

ist aber, dass das Ziel erreicht wird!“

Offenes Entdeckendes Lernen• Der zu explorierende Aspekt wird vom Lernenden selber festgelegt• „Wichtig ist die Auseinandersetzung mit der Thematik. Die Schüler

können selbst gewählte Aspekte entdecken.“

12

„einfaches“ Entdeckendes Lernen: Von Chicago nach L.A. – irgendwie!

13

„einfaches“ Entdeckendes Lernen:Vom Kartentrick zur diskreten Mathematik

Aufgabe: Wie funktioniert die Codierung (durch Assistent) und Decodierung (durch Zauberer) der gewählten Karte?

Material: Programm CardGame(http://www.swisseduc.ch/informatik/entdecken/kartentrick/)

-> Praxis!

14

„einfaches“ EL: Aussagenlogik zurSicherheit einer Strassenkreuzung

Aufgabe: Aussagenlogische Formel für sichere Kreuzungskonfigurationen aufstellen

Material: LogicTraffic(http://people.inf.ethz.ch/rarnold/infotraffic/)

-> Praxis!

15

Sezessionskrieg? Rassenunruhen der 1960er? Coca Cola versus Baumwolle? Hafen von New Orleans? …?

„offenes“ Entdeckendes Lernen: Den „alten“ Süden der USA entdecken

16

„offenes“ Entdeckendes Lernen: Aspekte Behindertengerechter Websites

WirtschaftlichkeitKosten/Nutzen

Vorlesen von Webseiten

Empfehlungen für die Gestaltung

(Seh-)behindert in derInformationsgesellschaft?

Wie „sehen“ Such-maschinen Webseiten?

W3C-Standards,Tools zur Prüfung

Gesetzgebung

Spezielle Hard/Softwarefür Behinderte?

Aktuelle Resultateaus der Forschung?

17

„offenes“ Entdeckendes Lernen:schwierige Probleme der Informatik

Gebiet: NP-vollständige Probleme und mögliche Lösungsalgorithmen

Aufgabe (je nach Interesse): Laufzeitaspekte, Extremfälle, Korrektheit, Anwendungen in der Realität oder Entwurf eigener Algorithmen

Material: GraphBench(http://www.swisseduc.ch/informatik/entdecken/hard_problems/)

-> Praxis!

18

Kein Entdeckendes Lernen: Folgen Sie Route 66 von Chicago nach L.A.!

Chicago > Springfield (Il) > St.Louis (MO) > Tusla (OK) > Amarillo (TX) > Albuquerque (NM) > Flagstaff (AZ) > L.A.

19

Kein Entdeckendes Lernen: Fliesskommazahlen nach IEEE 754

Dazu gibt es einiges Wissenswertes, siehe zum Beispiel: David Goldberg (1991). What Every Computer Scientist Should Know About Floating-PointArithmetic. Computing Surveys, Association for Computing Machinery. Ein Artikel von über 90 Seiten Länge!

Solches klar definiertes Wissen lässt sich nicht „entdecken“!

20

Quellen

Entdeckendes Lernen im Informatik-Unterricht.Ruedi Arnold, Werner Hartmann, Raimond Reichert. In the Proceedings of INFOS 2005, "Unterrichtskonzepte für informatische Bildung", 11. FachtagungInformatik und Schule der Gesellschaft für Informatik (GI). Dresden, Deutschland, 28.-30. September 2005.

www.swisseduc.ch/informatik/entdecken

Unterrichtsmaterialien imUmfeld der Sekundarstufe

Über ein Dutzend Informatik-Unterrichtseinheiten für Entdeckendes Lernen

21

-> Selbst am Computer entdecken!

• Jetzt: 35‘ im Computerraum

• selbstständig Arbeiten

• Arbeitsblätter zu 3 verschiedenen Gebieten– Aussagenlogik: InfoTraffic– Diskrete Mathematik: Kartentrick– Schwierige Probleme: GraphBench

…entdecken Sie selbst! ☺

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22

Erkenntnisse?

• Selber gemachte Entdeckungen?• Fragen / Bemerkungen zu den 3 Beispielen?

– Aussagenlogik: InfoTraffic– Diskrete Mathematik: Kartentrick– Schwierige Probleme: GraphBench

• Vor- / Nachteile?• Rolle Schüler und Lehrer?• Entdeckendes Lernen in meinem Unterricht?• Geeignete Themen?

23

Noch ein wenig Hintergrund:Unterschiedliche kognitive Präferenzen

-> Inge Schwank, Osnabrück:http://www.fmd.uni-osnabrueck.de/ebooks/kognitive-mathematik.htm

?

24

Und noch mehr...

25

Wir denken verschieden und haben verschiedene Wahrnehmungen

26

Verschiedene Begriffsbildungen

Beispiel „Kreis“ Motorische Vorstellung einer

rotierenden Strecke

Statische Beschreibung als Menge aller Punkte mit gleichem Abstand ..

Visuelle Vorstellung einer runden Linie

Ausgefüllte tellerförmige Fläche

Der Kreis schliesst sich! Auffassung als Wort

27

Kognitive Präferenzen:Prädikativ und funktional

Fassen von Strukturen und Begriffenin Form von Prädikaten / Relationenzwischen verschiedenen Gegenständen

Denken in Beziehungen

Ausbau einer statisch greifendeninternen begrifflichen Repräsentation

Fassen von Strukturen und Begriffenin Form von Funktionen / Operationen,mit verschiedenen Gegenständen

Denken in Wirkungsweisen

Ausbau einer dynamisch greifendeninternen begrifflichen Repräsentation

28

Verschiedene Lösungswege

Prädikative LösungDie einzelnen Figuren werden auf ihre charakteri-sierenden Eigenschaften hin untersucht und figurweise in Beziehung zueinander gesetzt:

• Diese Erkenntnis ist sehr brauchbar, spaltenweise betrachtet gilt eine analogeArgumentation für die linke und rechteSeitenwand.

• Zeilenweise betrachtet fällt auf, daß Boden und Deckel der Figuren in ihrer Form konstantbleiben.

Funktionale LösungIm Falle einer funktionalen Lösung wird auf Prozeßabläufe hinanalysiert. Die Umrandungslinien werden als Gummibänder aufgefaßt, an denen herum gezogen werden kann. In jeder Zeile wird dasGummiband an den Seiten zunächst nach innen gezogen, dann nachaußen.

29

Unterschiedliche kognitive Präferenzen

Jede Dozentin hat ihre Präferenzen...

• Erklärungen in der eigenen vertrauten Denkweise

• Gerade bei Verständnisschwierigkeiten lohnt sich ein Wechsel des Standpunktes.

• Gleichzeitige Betrachtung aus verschiedenen Gesichtswinkeln eröffnet oft neue Horizonte (z.B. imperative vs objektorientierte Programmierung)

• Frauen und Männer haben verschiedene Präferenzen

30

Verschiedene Leute setzen Puzzles verschieden zusammen!

31

Warum Entdeckendes Lernen?

Schüler aktivieren: Förderung des selbst-ständigen, aktiven, kritischen, kreativen Lernens und des Lernens in Gruppen.

Schüler „stolpern“ über ihre eigenen naiven Vorstellungen und Vorurteile. Die Entdeckungen„gehören“ ihnen. Heureka! Der Stolz des Entdeckers fördert Motivation.

Erweiterung des Spektrums von Unterrichtsmethoden: Abwechslung!

32

Warum Entdeckendes Lernenim Informatik-Unterricht?

Informatik ist abstrakt und vielschichtig. (Ver-)führt oft zu Unterricht der Art:1. Vermitteln der „Theorie“2. Praktische Übungen

ABER: selbstständig neue Inhalte erschliessen gehört zur täglichen Arbeit von Informatiker/innen!

"You can't teach people everything theyneed to know. The best you can do isposition them where they can find whatthey need to know when they need to know it." (Seymour Papert)

33

Offene Problemstellung

Entdeckendes Lernenin a nutshell

Genügend Zeit geben

Freiraum lassen

Alle (ernsthaften) Beiträge honorieren

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Material vollständig vorgeben

34

www.swisseduc.ch/informatik/entdecken

Ruedi Arnold, ETH Zürichrarnold@inf.ethz.chhttp://people.inf.ethz.ch/rarnold/

Über ein Dutzend Informatik-Unterrichtseinheiten für Entdeckendes Lernen liegen frei verfügbar auf

Unterrichtsmaterialien imUmfeld der Sekundarstufe

Entdeckendes Lernenim Informatik Unterricht

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Der Nachteil von Entdeckendem Lernen: Man steht nicht mehr im Mittelpunkt… ☺