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From Embedded Systems to Physical Computing

Challenges of the Digital World in Secondary Computer Science Education
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iconZusammenfassungen

Physical computing covers the design and realization of interactive objects and installations and allows learners to develop concrete, tangible products of the real world, which arise from their imagination. This can be used in computer science education to provide learners with interesting and motivating access to the different topic areas of the subject in constructionist and creative learning environments. However, if at all, physical computing has so far mostly been taught in afternoon clubs or other extracurricular settings. Thus, for the majority of students so far there are no opportunities to design and create their own interactive objects in regular school lessons.
Despite ist increasing popularity also for schools, the topic has not yet been clearly and sufficiently characterized in the context of computer science education. The aim of this doctoral thesis therefore is to clarify physical computing from the perspective of computer science education and to adequately prepare the topic both content-wise and methodologically for secondary school teaching. For this purpose, teaching examples, activities, materials and guidelines for classroom use are developed, implemented and evaluated in schools.
In the theoretical part of the thesis, first the topic is examined from a technical point of view. A structured literature analysis shows that basic concepts used in physical computing can be derived from embedded systems, which are the core of a large field of different application areas and disciplines. Typical methods of physical computing in professional settings are analyzed and, from an educational perspective, elements suitable for computer science teaching in secondary schools are extracted, e. g. tinkering and prototyping. The investigation and classification of suitable tools for school teaching show that microcontrollers and mini computers, often with extensions that greatly facilitate the handling of additional components, are particularly attractive tools for secondary education. Considering the perspectives of science, teachers, students and society, in addition to general design principles, exemplary teaching approaches for school education and suitable learning materials are developed and the design, production and evaluation of a physical computing construction kit suitable for teaching is described.
In the practical part of this thesis, with “My Interactive Garden”, an exemplary approach to integrate physical computing in computer science teaching is tested and evaluated in different courses and refined based on the findings in a design-based research approach. In a series of workshops on physical computing, which is based on a concept for constructionist professional development that is developed specifically for this purpose, teachers are empowered and encouraged to develop and conduct physical computing lessons suitable for their particular classroom settings. Based on their in-class experiences, a process model of physical computing teaching is derived. Interviews with those teachers illustrate that benefits of physical computing, including the tangibility of crafted objects and creativity in the classroom, outweigh possible drawbacks like longer preparation times, technical difficulties or difficult assessment. Hurdles in the classroom are identified and possible solutions discussed.
Empirical investigations in the different settings reveal that “My Interactive Garden” and physical computing in general have a positive impact, among others, on learner motivation, fun and interest in class and perceived competencies.
Finally, the results from all evaluations are combined to evaluate the design principles for physical computing teaching and to provide a perspective on the development of decision-making aids for physical computing activities in school education.
Von Mareen Przybylla in der Dissertation From Embedded Systems to Physical Computing (2018)
Physical Computing ist die Gestaltung interaktiver Objekte und Installationen und ermöglicht Lernenden, konkrete, greifbare Produkte der realen Welt zu schaffen, die ihrer eigenen Vorstellung entsprechen. Dies kann in der informatischen Bildung genutzt werden, um Lernenden einen interessanten und motivierenden Zugang zu den verschiedenen Themengebieten des Lerngegenstandes in konstruktionistischen und kreativen Lernumgebungen anzubieten. Bisher wurde Physical Computing allerdings, wenn überhaupt, vorrangig in Nachmittagsaktivitäten und anderen extracurricularen Kontexten unterrichtet. Daher hat ein Großteil aller Schülerinnen und Schüler bisher keine Gelegenheit, im Rahmen von Schulunterricht selbst gestalterisch tätig zu werden und interaktive Objekte herzustellen.
Trotz zunehmender Popularität, auch in Schulen, wurde das Thema bisher im Kontext der informatischen Bildung nicht hinreichend klar charakterisiert. Ziel dieser Dissertation ist es daher, Physical Computing aus informatikdidaktischer Sicht zu klären und sowohl inhaltlich als auch methodisch adäquat für den Schulunterricht in den Sekundarstufen aufzubereiten. Dazu werden Unterrichtsbeispiele, -aktivitäten, -materialien und -empfehlungen entwickelt, in Schulen eingesetzt und evaluiert.
Im theoretischen Teil der Arbeit wird das Thema zunächst aus fachlicher Perspektive untersucht. Eine strukturierte Literaturanalyse zeigt, dass grundlegende Konzepte des Physical Computings aus dem Fachgebiet Eingebettete Systeme abgeleitet werden können, welches den Kern diverser Anwendungsgebiete und Disziplinen bildet. Typische Methoden des Physical Computings werden analysiert und geeignete Elemente für den Informatikunterricht der Sekundarstufen werden aus didaktischer Perspektive herausgearbeitet, beispielsweise Tinkering und Prototyping. Bei der Untersuchung und Klassifikation geeigneter Werkzeuge für den Schulunterricht kristallisieren sich Mikrocontroller und Mini-Computer, oft mit Erweiterungen zur deutlichen Vereinfachung der Handhabung zusätzlicher Komponenten, als besonders attraktive Werkzeuge für die Sekundarstufen heraus. Unter Berücksichtigung der Perspektiven der Fachwissenschaft, Lehrer, Schüler und Gesellschaft werden zusätzlich zu allgemeinen Gestaltungsprinzipien auch beispielhafte Unterrichtsansätze für die schulische Bildung und geeignete Lernmaterialien entwickelt und der Entwurf, die Produktion und Evaluation eines für den Unterricht geeigneten Physical-Computing-Baukastens beschrieben.
Im praktischen Teil der Arbeit wird in einem Design-Based-Research-Ansatz mit „My Interactive Garden“ eine beispielhafte Umsetzung von Physical Computing im Informatikunterricht in verschiedenen Kursen getestet, evaluiert und entsprechend der Erkenntnisse überarbeitet. In einer Workshopreihe zum Thema Physical Computing, welche auf einem eigens entwickelten konstruktionistischen Lehrerfortbildungskonzept basiert, werden Lehrer befähigt und ermutigt, für ihre konkreten Unterrichtssituationen geeigneten Physical-Computing-Unterricht zu planen und durchzuführen. Aus ihren Unterrichtserfahrungen wird ein Prozessmodell für Physical-Computing-Unterricht abgeleitet. Interviews mit diesen Lehrern illustrieren, dass Vorteile des Physical Computings, z. B. die Greifbarkeit gebastelter Objekte und Kreativität im Unterricht, mögliche Nachteile wie längere Vorbereitungszeiten, technische Schwierigkeiten oder schwierige Leistungsbewertung, überwiegen. Hürden im Unterricht werden identifiziert und mögliche Ansätze, diese zu umgehen, diskutiert.
Empirische Untersuchungen in den verschiedenen Unterrichtsumsetzungen zeigen, das sowohl „My Interactive Garden“ als auch Physical Computing im Allgemeinen einen positiven Einfluss unter anderem auf Lernermotivation, Spaß und Interesse im Unterricht und wahrgenommene Kompetenzen haben.
Abschließend werden die Ergebnisse aller Untersuchungen zusammengeführt, um die Gestaltungsprinzipien für Physical-Computing-Unterricht zu evaluieren und einen Ausblick auf die Entwicklung von Entscheidungshilfen für Physical-Computing-Aktivitäten in der schulischen Bildung zu geben.
Von Mareen Przybylla in der Dissertation From Embedded Systems to Physical Computing (2018)

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Personen
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Edith Ackermann, Arosha K. Bandara, Erik Barendsen, Mordechai Ben-Ari, Gérard Berry, Rebecca W. Black, Jürgen Bortz, Roger Boyle, Torsten Brinda, Michael Brinkmeier, Barbara Demo, Peter Denning, Ira Diethelm, Nicola Döring, Paul Dourish, Michèle Drechsler, Jens Gallenbacher, Walter Gander, Carlo Ghezzi, Timo Göttel, Natasa Grgurina, Idit Harel, Werner Hartmann, David Hay, Gillian R. Hayes, Peter Hubwieser, Simon Humphreys, Daniel Kalbreyer, Petra Kastl, Jaihee Kate Lee, Samuel J. Kaufman, Caitlin Kelleher, Jeroen Keppens, Ulrich Kiesmüller, Maria Knobelsdorf, Kultusministerkonferenz, Gabriela Marcu, Sylvia Libow Martinez, Andrew McGettrick, Avi Mendelson, Bertrand Meyer, Andreas Mühling, Michael Näf, Tom Neutens, Seymour Papert, Randy Pausch, Antoine Petit, Marian Petre, Mareen Przybylla, Raimond Reichert, Dominik Reichert, Mitchel Resnick, Nicholas Reynolds, Mike Richards, Debra J. Richardson, Ralf Romeike, Alexander Ruf, Scarlet Schwiderski-Grosche, Andreas Schwill, Sue Sentance, Brian Silverman, Gary Stager, Chris Stephenson, Jos Tolboom, Jan Vahrenhold, Markus Weber, Bernhard Wiesner, Francis Wyffels

Begriffe
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design-based researchdesign-based research, Informatikcomputer science, Informatik-Unterricht (Fachinformatik)Computer Science Education, Kreativitätcreativity, Lernenlearning, Lernumgebung, Motivationmotivation, physical computing, PrototypingPrototyping, Schuleschool, tinkeringtinkering, Unterricht
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Bücher
Jahr  Umschlag Titel Abrufe IBOBKBLB
1982    Mindstorms (Seymour Papert) 8, 8, 17, 20, 14, 12, 24, 11, 14, 21, 30, 2522745255089
1990Constructionism (Idit Harel, Seymour Papert) 6, 9, 10, 7, 6, 9, 16, 4, 5, 5, 2, 6994061102
2000     Didaktik der Informatik (Peter Hubwieser) 16, 11, 10, 13, 13, 18, 21, 23, 23, 16, 20, 2473134246386
2001    Forschungsmethoden und Evaluation (Jürgen Bortz, Nicola Döring) 4, 3, 9, 8, 4, 6, 8, 2, 4, 5, 3, 6312361655
2006    Informatikunterricht planen und durchführen (Werner Hartmann, Michael Näf, Raimond Reichert) 10, 11, 13, 18, 12, 17, 18, 17, 14, 12, 18, 2933178292549
2007  Informatische Bildung in der Wissensgesellschaft (Peer Stechert) 4, 4, 7, 3, 5, 6, 9, 5, 4, 5, 2, 811308589
2008Computer Science Education 1/20081, 2, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 2, 1, 3, 3593121
2009     INFOS 2009 (Bernhard Koerber) 14, 10, 13, 12, 9, 16, 21, 10, 14, 13, 16, 1940230191613
2009SIGCSE 2009 (Gary Lewandowski, Steven A. Wolfman, Thomas J. Cortina, Ellen Lowenfeld Walker) 1, 1, 1, 1, 21, 2, 1, 1, 2, 10783481041
2011    Biographische Lern- und Bildungsprozesse im Handlungskontext der Computernutzung (Maria Knobelsdorf) 3, 1, 1, 3, 6, 3, 7, 3, 4, 3, 3, 78137238
2011    Informatik in Bildung und Beruf (Marco Thomas) 6, 4, 9, 7, 6, 11, 17, 10, 11, 13, 9, 191932819946
2012SIGCSE 2012 (Laurie A. Smith King, David R. Musicant, Tracy Camp, Paul T. Tymann) 1, 2, 2, 1, 1, 3, 29, 4, 1, 7, 11, 915554971
2012WIPSCE '121, 1, 1, 4, 1, 2, 7, 2, 6, 3, 2, 12813912211
2013    Invent to Learn (Sylvia Libow Martinez, Gary Stager) 8, 10, 12, 11, 11, 15, 18, 17, 21, 17, 11, 252110125784
2014    KEYCIT 2014 (Torsten Brinda, Nicholas Reynolds, Ralf Romeike) 1, 1, 2, 1, 2, 1, 1, 4, 1, 1, 1, 32123119
2014WiPSCE 2014 (Carsten Schulte, Michael E. Caspersen, Judith Gal-Ezer) 4, 4, 3, 6, 4, 4, 13, 4, 9, 4, 5, 152923115383
2015    Informatik allgemeinbildend begreifen (Jens Gallenbacher) 5, 10, 7, 7, 9, 5, 12, 9, 13, 14, 16, 171824217421
2015    ISSEP 2015 (Andrej Brodnik, Jan Vahrenhold) 3, 2, 4, 5, 1, 5, 13, 6, 4, 3, 2, 951449266
2016Proceedings of the 11th Workshop in Primary and Secondary Computing Education (WiPSCE 2016) (Jan Vahrenhold, Erik Barendsen) 4, 2, 4, 2, 1, 2, 24, 2, 2, 4, 3, 111214311143
2016    Informatics in Schools: Improvement of Informatics Knowledge and Perception (Andrej Brodnik, Françoise Tort) 1, 1, 5, 3, 2, 2, 8, 2, 1, 1, 2, 66118658
2017    Lifelong Kindergarten (Mitchel Resnick) 6, 4, 36, 8, 13, 10, 12, 6, 5, 7, 8, 86728508
2017   Informatische Bildung zum Verstehen und Gestalten der digitalen Welt (Ira Diethelm) 5, 6, 9, 10, 5, 8, 14, 8, 8, 11, 8, 164220916285
2017Proceedings of the 12th Workshop on Primary and Secondary Computing Education, WiPSCE 2017, Nijmegen, The Netherlands, November 8-10, 2017 (Erik Barendsen, Peter Hubwieser) 54, 5, 9, 3, 2, 1, 2, 92347985
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Texte
Jahr  Umschlag Titel Abrufe IBOBKBLB
   Piaget’s Constructivism, Papert’s Constructionism (Edith Ackermann) 1, 4, 4, 2, 1, 9, 8, 1, 4, 2, 2, 53651228
1990    Situating Constructionism (Seymour Papert, Idit Harel) 4, 3, 3, 4, 1, 8, 6, 3, 4, 4, 2, 537115634
1996Computer Science Education Based on Fundamental Ideas (Andreas Schwill) 4700
1998    Constructivism in Computer Science Education (Mordechai Ben-Ari) 1, 2, 5, 3, 1, 1, 6, 2, 2, 1, 3, 612266189
2003    Great principles of computing (Peter Denning) 6, 2, 13, 8, 7, 2, 10, 2, 5, 9, 12, 16362516511
2005    Some Reflections on Designing Construction Kits for Kids (Mitchel Resnick, Brian Silverman) 3, 2, 4, 2, 1, 4, 6, 2, 3, 2, 4, 49274376
2005    Lowering the barriers to programming (Caitlin Kelleher, Randy Pausch) 4, 5, 1, 6, 7, 1, 2, 9, 1, 2, 1, 433174389
2007    Sowing the seeds for a more creative society (Mitchel Resnick) 3, 3, 3, 4, 3, 1, 2, 5, 1, 1, 1, 21132186
2007Kreativität im Informatikunterricht (Ralf Romeike) 1300
2008    Concept map assessment for teaching computer programming (Jeroen Keppens, David Hay) 2300
2009Informatische Konzepte mit Robotern vermitteln (Markus Weber, Bernhard Wiesner) 2400
2010    Design and evaluation of a computer science and engineering course for middle school girls (Gabriela Marcu, Samuel J. Kaufman, Jaihee Kate Lee, Rebecca W. Black, Paul Dourish, Gillian R. Hayes, Debra J. Richardson) 3400
2011    PicoCrickets als Zugang zur Informatik in der Grundschule (Ralf Romeike, Dominik Reichert) 8, 2, 6, 5, 4, 7, 12, 14, 11, 10, 15, 1543015331
2012Challenge and creativity1400
2012Agile projects in high school computing education (Ralf Romeike, Timo Göttel) 2900
2012On the importance of being earnest (Jan Vahrenhold) 1400
2012    Starting with Ubicomp (Mike Richards, Marian Petre, Arosha K. Bandara) 2400
2013    Informatics education: Europe cannot afford to miss the boat (Walter Gander, Antoine Petit, Gérard Berry, Barbara Demo, Jan Vahrenhold, Andrew McGettrick, Roger Boyle, Michèle Drechsler, Avi Mendelson, Chris Stephenson, Carlo Ghezzi, Bertrand Meyer) 1, 5, 6, 9, 6, 8, 16, 3, 5, 4, 4, 913259558
2014    Scratch vs. Karel (Alexander Ruf, Andreas Mühling, Peter Hubwieser) 2, 4, 4, 6, 1, 6, 8, 1, 1, 1, 1, 74207231
2015    Online vs Face-To-Face Engagement of Computing Teachers for their Professional Development Needs (Sue Sentance, Simon Humphreys) 1, 1, 1, 3, 1, 1, 2, 1, 1, 2, 2, 225246
2016    A Case Study of Physical Computing in Computer Science Education (Michael Brinkmeier, Daniel Kalbreyer) 2600
2016    Starting out with Projects (Petra Kastl, Ulrich Kiesmüller, Ralf Romeike) 2600
2016    Teacher professional development through a physical computing workshop (Tom Neutens, Francis Wyffels) 2700
2016    A New Informatics Curriculum for Secondary Education in The Netherlands (Erik Barendsen, Natasa Grgurina, Jos Tolboom) 1, 1, 1, 2, 4, 1, 1, 146112
2016    Bildung in der digitalen Welt (Kultusministerkonferenz) 6, 4, 9, 7, 5, 10, 7, 5, 7, 5, 5, 14781414239
2017   Creative Society (Mitchel Resnick) 1400
2017    Settings and Contexts for Physical Computing in CS Classes (Mareen Przybylla, Ralf Romeike) 1200

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iconBeat und Diese Doktorarbeit

Beat hat Diese Doktorarbeit während seiner Zeit am Institut für Medien und Schule (IMS) ins Biblionetz aufgenommen. Er hat Diese Doktorarbeit einmalig erfasst und bisher nicht mehr bearbeitet. Beat besitzt kein physisches, aber ein digitales Exemplar. Eine digitale Version ist auf dem Internet verfügbar (s.o.). Es gibt bisher nur wenige Objekte im Biblionetz, die dieses Werk zitieren.

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