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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

Mareen PrzybyllaPhysical 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)
Mareen PrzybyllaPhysical 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 local secure web Mindstorms (Seymour Papert) 11, 14, 21, 30, 25, 19, 30, 35, 39, 35, 23, 2223145225292
1990Constructionism (Idit Harel, Seymour Papert) 4, 5, 5, 2, 6, 7, 14, 18, 21, 9, 16, 1010340101197
2000  local secure web Didaktik der Informatik (Peter Hubwieser) 23, 23, 16, 20, 24, 17, 27, 41, 21, 18, 27, 1873134186555
2001  local secure Forschungsmethoden und Evaluation (Jürgen Bortz, Nicola Döring) 2, 4, 5, 3, 6, 5, 10, 9, 9, 5, 9, 3312331705
2006  local secure Informatikunterricht planen und durchführen (Werner Hartmann, Michael Näf, Raimond Reichert) 17, 14, 12, 18, 29, 31, 34, 46, 40, 28, 34, 2534187252787
2007  Informatische Bildung in der Wissensgesellschaft (Peer Stechert) 5, 4, 5, 2, 8, 8, 13, 20, 4, 4, 14, 711307659
2008Computer Science Education 1/20083, 2, 1, 3, 3, 2, 5, 3, 5, 2, 4, 2592144
2009  local secure web INFOS 2009 (Bernhard Koerber) 10, 14, 13, 16, 19, 21, 24, 30, 22, 20, 17, 2642230261773
2009SIGCSE 2009 (Gary Lewandowski, Steven A. Wolfman, Thomas J. Cortina, Ellen Lowenfeld Walker) 2, 1, 1, 2, 10, 10, 14, 23, 16, 6, 11, 7783487128
2011 local secure web Biographische Lern- und Bildungsprozesse im Handlungskontext der Computernutzung (Maria Knobelsdorf) 3, 4, 3, 3, 7, 8, 10, 16, 12, 6, 10, 88138308
2011 local secure web Informatik in Bildung und Beruf (Marco Thomas) 10, 11, 13, 9, 19, 19, 23, 27, 16, 13, 14, 1420328141072
2012SIGCSE 2012 (Laurie A. Smith King, David R. Musicant, Tracy Camp, Paul T. Tymann) 4, 1, 7, 11, 9, 11, 15, 28, 13, 4, 11, 8155548161
2012WIPSCE '122, 6, 3, 2, 12, 9, 12, 25, 11, 5, 10, 181391284
2013  local secure Invent to Learn (Sylvia Libow Martinez, Gary Stager) 17, 21, 17, 11, 25, 19, 30, 48, 25, 21, 21, 252210125973
2014 local secure web KEYCIT 2014 (Torsten Brinda, Nicholas Reynolds, Ralf Romeike) 4, 1, 1, 1, 3, 1, 6, 8, 8, 4, 5, 42124155
2014WiPSCE 2014 (Carsten Schulte, Michael E. Caspersen, Judith Gal-Ezer) 4, 9, 4, 5, 15, 5, 11, 23, 7, 9, 11, 7302317456
2015 local secure web Informatik allgemeinbildend begreifen (Jens Gallenbacher) 9, 13, 14, 16, 17, 12, 15, 24, 11, 8, 11, 132024213515
2015 local secure web ISSEP 2015 (Andrej Brodnik, Jan Vahrenhold) 6, 4, 3, 2, 9, 9, 14, 26, 20, 6, 6, 751447354
2016Proceedings of the 11th Workshop in Primary and Secondary Computing Education (WiPSCE 2016) (Jan Vahrenhold, Erik Barendsen) 2, 2, 4, 3, 11, 10, 17, 31, 9, 5, 7, 8121438230
2016 local secure web Informatics in Schools: Improvement of Informatics Knowledge and Perception (Andrej Brodnik, Françoise Tort) 2, 1, 1, 2, 6, 7, 9, 16, 15, 4, 6, 10611910125
2017  local secure Lifelong Kindergarten (Mitchel Resnick) 6, 5, 7, 8, 8, 8, 12, 9, 15, 5, 13, 86728578
2017 local secure Informatische Bildung zum Verstehen und Gestalten der digitalen Welt (Ira Diethelm) 8, 8, 11, 8, 16, 18, 26, 22, 16, 17, 17, 144520914415
2017Proceedings of the 12th Workshop on Primary and Secondary Computing Education, WiPSCE 2017, Nijmegen, The Netherlands, November 8-10, 2017 (Erik Barendsen, Peter Hubwieser) 3, 2, 1, 2, 9, 8, 16, 30, 9, 4, 11, 523475168
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Texte
Jahr  Umschlag Titel Abrufe IBOBKBLB
local secure web Piaget’s Constructivism, Papert’s Constructionism (Edith Ackermann) 8, 1, 4, 2, 2, 5, 1, 5, 3, 7, 6, 83681258
1990 local secure web Situating Constructionism (Seymour Papert, Idit Harel) 3, 4, 4, 2, 5, 1, 3, 8, 13, 4, 8, 638116677
1996Computer Science Education Based on Fundamental Ideas (Andreas Schwill) 4700
1998 local secure web Constructivism in Computer Science Education (Mordechai Ben-Ari) 2, 2, 1, 3, 6, 6, 7, 7, 5, 5, 9, 612266234
2003 local secure web Great principles of computing (Peter Denning) 2, 5, 9, 12, 16, 11, 12, 18, 15, 17, 10, 12362512606
2005 local secure web Some Reflections on Designing Construction Kits for Kids (Mitchel Resnick, Brian Silverman) 2, 3, 2, 4, 4, 3, 6, 2, 5, 2, 3, 59275402
2005 local secure web Lowering the barriers to programming (Caitlin Kelleher, Randy Pausch) 9, 1, 2, 1, 4, 2, 6, 6, 9, 1, 9, 133171423
2007 local secure web Sowing the seeds for a more creative society (Mitchel Resnick) 5, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 7, 1, 3, 4, 31133209
2007Kreativität im Informatikunterricht (Ralf Romeike) 1300
2008 local secure web Concept map assessment for teaching computer programming (Jeroen Keppens, David Hay) 2300
2009Informatische Konzepte mit Robotern vermitteln (Markus Weber, Bernhard Wiesner) 2400
2010 local secure web 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 local secure web PicoCrickets als Zugang zur Informatik in der Grundschule (Ralf Romeike, Dominik Reichert) 14, 11, 10, 15, 15, 10, 16, 20, 21, 16, 14, 1443014442
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 local secure web Starting with Ubicomp (Mike Richards, Marian Petre, Arosha K. Bandara) 2400
2013 local secure web 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) 3, 5, 4, 4, 9, 14, 15, 16, 7, 4, 6, 514255625
2014 local secure web Scratch vs. Karel (Alexander Ruf, Andreas Mühling, Peter Hubwieser) 1, 1, 1, 1, 7, 7, 8, 5, 6, 6, 7, 94209279
2015 local secure web Online vs Face-To-Face Engagement of Computing Teachers for their Professional Development Needs (Sue Sentance, Simon Humphreys) 2, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 2, 5, 225259
2016 local secure web A Case Study of Physical Computing in Computer Science Education (Michael Brinkmeier, Daniel Kalbreyer) 2600
2016 local secure web Starting out with Projects (Petra Kastl, Ulrich Kiesmüller, Ralf Romeike) 2600
2016 local secure web Teacher professional development through a physical computing workshop (Tom Neutens, Francis Wyffels) 2700
2016 local secure web A New Informatics Curriculum for Secondary Education in The Netherlands (Erik Barendsen, Natasa Grgurina, Jos Tolboom) 1, 2, 4, 1, 1, 1, 3, 1, 4, 2, 5, 446431
2016 local secure web Bildung in der digitalen Welt (Kultusministerkonferenz) 5, 7, 5, 5, 14, 14, 14, 25, 7, 9, 12, 10891410330
2017 local secure Creative Society (Mitchel Resnick) 1400
2017 local secure web Settings and Contexts for Physical Computing in CS Classes (Mareen Przybylla, Ralf Romeike) 1200

iconDiese Doktorarbeit  erwähnt vermutlich nicht ... Eine statistisch erstelle Liste von nicht erwähnten (oder zumindest nicht erfassten) Begriffen, die aufgrund der erwähnten Begriffe eine hohe Wahrscheinlichkeit aufweisen, erwähnt zu werden.

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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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