Webbasierte Ad-hoc-Programmieraufgaben zur Vermittlung von grundlegenden Konzepten der Programmierung in Vorlesungen

Titelangaben

Ebert, Michael:
Webbasierte Ad-hoc-Programmieraufgaben zur Vermittlung von grundlegenden Konzepten der Programmierung in Vorlesungen.
Bayreuth , 2019 . - xi, 289 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Die in der Öffentlichkeit und Politik proklamierte Digitalisierung zeigt den unter anderem in der Industrie aktuellen Trend zur Schöpfung von Mehrwerten durch Algorithmen und Software - insbesondere in der Cloud oder im Bereich des industriellen Internet der Dinge (IIoT). Gleichwohl sind die Grundlagen der Programmierung und die Informatik konstitutiv für eben diesen Trend und den damit assoziierten Technologien. Besonders in der Hochschullehre sind gefestigte Grundlagen wichtig, um die darauf aufbauenden Konzepte zu verstehen und anwenden zu können. Doch scheint das Erlernen dieser Fähigkeiten und Inhalte Studierende mit Problemen zu konfrontieren, die sich in den Noten und in mangelnder Programmierfähigkeit widerspiegeln. Programmieren ist keine reine Fertigkeit, sondern ein vielseitiger Prozess, in dessen Rahmen sich Studierende mit einer Programmiersprache, Problemlösungsstrategien, Algorithmisierung und den Grenzen der Berechenbarkeit von Computern auseinandersetzen müssen. Für die Konzeption einer Lehrveranstaltung müssen all diese Elemente situativ und kontextbezogen adressiert werden, um den Lernprozess von Studierenden erfolgreich begleiten zu können. Diese Dissertation, welche im Rahmen des Forschungsprojekts „EVELIN (Experimentelle Verbesserung der Lehre des Software Engineerings)“ erstellt wird, befasst sich mit der Erarbeitung eines didaktischen Konzepts für eine Integration von ad hoc Programmieraufgaben zur angewandten Vermittlung von Programmierkonzepten. Das Konzept lehnt sich an das Cognitive Apprenticeship und an lehr- und lerntheoretische Konzepte des Aktiven Lernens an, wurde jedoch sehr an Programmiervorlesungen adaptiert. Ziel des Konzepts ist die Vermittlung von Lösungswegen für ähnlich gelagerte Problemstellungen, welche problem- und praxisorientiert eingeführt und eingeübt und dabei sukzessive in Komplexität und Schwierigkeit gesteigert werden. Für diese Adaption wird zuerst der Begriff Programmieren und die damit verbundenen kognitiven Schwierigkeiten diskutiert, um anschließend ein Verfahren zur Erfassung und Bewertung der Programmierfähigkeit auf Basis vorhandener Ansätze zu entwickeln. Eine effiziente Integration des Konzepts in eine Lehrveranstaltung erfordert die Entwicklung interaktiver Lehr- und Lernmaterialien, welche Studierenden die Möglichkeit bieten, sich mit Inhalten in der Vorlesung und von zuhause aus zu beschäftigen. Dazu werden existierende Ansätze und Technologien auf das entwickelte Konzept angepasst und zu einem neuen Werkzeug zur Erstellung von interaktiven Inhalten weiterentwickelt. Im Rahmen einer Lehrveranstaltung zur Einführung in die Programmierung für Studierende der Elektrotechnik wurde das Konzept eingesetzt und evaluiert. Die anschließende Evaluation des Konzepts unter Einbezug von Klausuraufgaben deutet auf einen Zusammenhang zwischen den studentischen Aktivitäten (Bearbeitung der Ad-Hoc-Aufgaben) und der Fähigkeit der Anwendung von Programmierkonzepten als Lösungsbausteine hin.

Abstract in weiterer Sprache

Digitalization has become a pervasive phenomenon in media, politics and business. Using cloud technology or Industrial Internet of the Things (IIoT), the shift to new ways of creating value add in industry and opening up new business cases has become essential (for businesses) to remain competitive. In order to address the demand for new skills and to apply computational concepts in a new context, educational institutions are challenged to teach the basics of programming and computer science. In particular, educators need to shift the teaching focus from highly specific programming languages, to a comprehensive understanding of fundamentals in computer science. However, it seems that students struggle to acquire these skills. Programming is not just an ability, it is a manifold process that requires students to cope with programming languages, problem solving, algorithms and limitations of computing. Lecture design needs to address all these elements in a situational and contextual way so that the students’ learning process is successful. The objective of this dissertation, which is written within the research project EVELIN (Experimental Improvement of the Learning of Software Engineering), is to develop a didactical approach for integrating ad-hoc programming exercises for practical teaching of programming concepts. This approach is based on the cognitive apprenticeship, teaching and learning theories and active learning. The above approach has been adapted for implementation in programming lectures where one-to-one supervision is not possible. The intention of the concept is to impart canonical solutions for similar problems which are introduced and practiced in a problem- and practice-oriented manner. Additionally, those problems are successively increased in complexity and difficulty to show the application of the solutions on a more abstract level. First, the term programming and the related cognitive intricacies are discussed for designing the concept, and a method is devised for measuring and comparing the programming ability based on existing approaches. The efficient integration of the concept in lectures requires developing interactive teaching materials to enable students to deal with the new topics during lecture and at home. For this purpose, existing approaches and technologies must be adapted and refined for creating interactive learning content. Therefore, a web-based tool has been implemented for creating specific interactive learning materials and optimized for lecture hall use. This approach was used and evaluated in a course for introducing programming to electrical engineering students at the Coburg Applied University of Science. The subsequent evaluation of the concept, including exams results, indicates a correlation between student activities (ad-hoc exercises) and their ability to use programming concepts as canonical solutions.