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From Embedded Systems to Physical Computing

Challenges of the Digital World in Secondary Computer Science Education
, local web 
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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 D. 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, Mareen Grillenberger, 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 D. McGettrick, Avi Mendelson, Bertrand Meyer, Andreas Mühling, Michael Näf, Tom Neutens, Seymour Papert, Randy Pausch, Antoine Petit, Marian Petre, 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, Wearable ComputingWearable Computing
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Bücher
Jahr  Umschlag Titel Abrufe IBOBKBLB
1982 local web  Mindstorms (Seymour Papert) 13, 8, 14, 7, 17, 2, 4, 13, 4, 5, 3, 83184785782
1990 Constructionism (Idit Harel, Seymour Papert) 3, 7, 8, 6, 2, 26, 4, 1, 8, 5, 1, 31244731511
2000  local web  Didaktik der Informatik (Peter Hubwieser) 10, 13, 17, 15, 14, 6, 12, 1, 6, 9, 4, 38613837073
2001  local  Forschungsmethoden und Evaluation (Jürgen Bortz, Nicola Döring) 2, 8, 1, 9, 7, 11, 3, 3, 7, 1, 2, 6682461956
2006  local  Informatikunterricht planen und durchführen (Werner Hartmann, Michael Näf, Raimond Reichert) 12, 10, 18, 9, 18, 5, 10, 12, 5, 5, 8, 84919783444
2007   Informatische Bildung in der Wissensgesellschaft (Peer Stechert) 6, 2, 13, 2, 25, 1, 2, 6, 1, 3, 3, 314313879
2008 Computer Science Education 1/20081, 5, 1, 7, 6, 6, 1, 1, 5, 5, 1, 6196360
2009 local web  INFOS 2009 (Bernhard Koerber) 10, 13, 14, 12, 4, 14, 1, 2, 8, 3, 4, 86323982240
2009 SIGCSE 2010 (Gary Lewandowski, Steven A. Wolfman, Thomas J. Cortina, Ellen Lowenfeld Walker) 7, 19, 11, 1, 15, 1, 4, 4, 1, 3, 2, 5333615423
2011 local web  Biographische Lern- und Bildungsprozesse im Handlungskontext der Computernutzung (Maria Knobelsdorf) 6, 3, 9, 5, 8, 2, 4, 13, 2, 3, 3, 513165559
2011 local web  Informatik in Bildung und Beruf (Marco Thomas) 7, 9, 13, 5, 13, 2, 5, 10, 1, 3, 1, 34735231422
2012 SIGCSE 2012 (Laurie A. Smith King, David R. Musicant, Tracy Camp, Paul T. Tymann) 7, 6, 12, 4, 16, 2, 5, 5, 1, 4, 6, 4426034489
2012 WIPSCE '122, 2, 6, 2, 10, 1, 12, 2, 4, 3, 3, 6211416515
2013  local  Invent to Learn (Sylvia Libow Martinez, Gary Stager) 10, 11, 13, 10, 12, 2, 1, 14, 9, 7, 2, 82810981440
2014 local web  KEYCIT 2014 (Torsten Brinda, Nicholas Reynolds, Ralf Romeike) 2, 4, 1, 12, 3, 15, 1, 3, 11, 3, 4, 35123373
2014 WiPSCE 2014 (Carsten Schulte, Michael E. Caspersen, Judith Gal-Ezer) 9, 9, 9, 1, 9, 2, 4, 1, 1, 4, 1, 4632624759
2015 local web  Informatik allgemeinbildend begreifen (Jens Gallenbacher) 8, 8, 13, 3, 18, 3, 10, 5, 2, 4, 1, 3442673871
2015 local web  ISSEP 2015 (Andrej Brodnik, Jan Vahrenhold) 7, 9, 11, 3, 12, 1, 4, 7, 1, 3, 3, 7181467641
2016 Proceedings of the 11th Workshop in Primary and Secondary Computing Education (WiPSCE 2016) (Jan Vahrenhold, Erik Barendsen) 9, 3, 8, 5, 10, 1, 1, 6, 1, 2, 2, 4361524511
2016 local web  Informatics in Schools: Improvement of Informatics Knowledge and Perception (Andrej Brodnik, Françoise Tort) 8, 3, 11, 2, 14, 1, 1, 4, 2, 4, 1, 5311315412
2017  local  Lifelong Kindergarten (Mitchel Resnick) 6, 4, 12, 3, 12, 1, 2, 7, 1, 5, 5, 725747900
2017 local  Informatische Bildung zum Verstehen und Gestalten der digitalen Welt (Ira Diethelm) 2, 10, 12, 14, 4, 17, 3, 6, 12, 2, 1, 91006519813
2017 Proceedings of the 12th Workshop on Primary and Secondary Computing Education, WiPSCE 2017, Nijmegen, The Netherlands, November 8-10, 2017 (Erik Barendsen, Peter Hubwieser) 7, 3, 7, 2, 7, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 540655430
icon
Texte
Jahr  Umschlag Titel Abrufe IBOBKBLB
local web  Piaget’s Constructivism, Papert’s Constructionism (Edith Ackermann) 2, 7, 2, 4, 6, 8, 1, 4, 6, 6, 3, 27621490
1990 local web  Situating Constructionism (Seymour Papert, Idit Harel) 1, 3, 6, 1, 10, 2, 14, 2, 3, 7, 4, 255112897
1996 Computer Science Education Based on Fundamental Ideas (Andreas Schwill) 6700
1998 local web  Constructivism in Computer Science Education (Mordechai Ben-Ari) 10, 9, 14, 3, 16, 2, 5, 5, 3, 3, 2, 423274510
2003 local web  Great principles of computing (Peter Denning) 9, 7, 11, 4, 21, 2, 4, 4, 4, 8, 1, 11442511963
2005 local web  Some Reflections on Designing Construction Kits for Kids (Mitchel Resnick, Brian Silverman) 1, 3, 5, 1, 11, 2, 8, 1, 2, 10, 6, 514275640
2005 local web  Lowering the barriers to programming (Caitlin Kelleher, Randy Pausch) 1, 3, 6, 11, 4, 10, 1, 6, 15, 4, 1, 447174661
2007 local web  Sowing the seeds for a more creative society (Mitchel Resnick) 1, 7, 1, 10, 4, 8, 2, 2, 9, 1, 2, 31333429
2007 Kreativität im Informatikunterricht (Ralf Romeike) 3400
2008 local web  Concept map assessment for teaching computer programming (Jeroen Keppens, David Hay) 1300
2009 Informatische Konzepte mit Robotern vermitteln (Markus Weber, Bernhard Wiesner) 2400
2010 local 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) 4400
2011 local web  PicoCrickets als Zugang zur Informatik in der Grundschule (Ralf Romeike, Dominik Reichert) 3, 1, 13, 5, 12, 1, 4, 11, 1, 2, 1, 39303737
2012 Challenge and creativity5400
2012 Agile projects in high school computing education (Ralf Romeike, Timo Göttel) 4900
2012 On the importance of being earnest (Jan Vahrenhold) 1400
2012 local web  Starting with Ubicomp (Mike Richards, Marian Petre, Arosha K. Bandara) 2400
2013 local web  Informatics education: Europe cannot afford to miss the boat (Walter Gander, Antoine Petit, Gérard Berry, Barbara Demo, Jan Vahrenhold, Andrew D. McGettrick, Roger D. Boyle, Michèle Drechsler, Avi Mendelson, Chris Stephenson, Carlo Ghezzi, Bertrand Meyer) 1, 6, 7, 12, 6, 18, 1, 2, 10, 1, 5, 420254932
2014 local web  Scratch vs. Karel (Alexander Ruf, Andreas Mühling, Peter Hubwieser) 5, 3, 14, 4, 12, 2, 2, 7, 2, 2, 1, 710287543
2015 local web  Online vs Face-To-Face Engagement of Computing Teachers for their Professional Development Needs (Sue Sentance, Simon Humphreys) 1, 1, 2, 3, 8, 3, 7, 1, 1, 3, 2, 6456179
2016 local web  A Case Study of Physical Computing in Computer Science Education (Michael Brinkmeier, Daniel Kalbreyer) 1600
2016 local web  Starting out with Projects (Petra Kastl, Ulrich Kiesmüller, Ralf Romeike) 2600
2016 local web  Teacher professional development through a physical computing workshop (Tom Neutens, Francis Wyffels) 2700
2016 local web  A New Informatics Curriculum for Secondary Education in The Netherlands (Erik Barendsen, Natasa Grgurina, Jos Tolboom) 1, 1, 2, 2, 6, 2, 3, 1, 1, 5, 1, 1661155
2016 local web  Bildung in der digitalen Welt (Kultusministerkonferenz) 14, 9, 8, 8, 14, 7, 5, 8, 2, 5, 3, 8258238788
2017 local  Creative Society (Mitchel Resnick) 2600
2017 local web  Settings and Contexts for Physical Computing in CS Classes (Mareen Grillenberger, Ralf Romeike) 1300

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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icon11 Erwähnungen  Dies ist eine nach Erscheinungsjahr geordnete Liste aller im Biblionetz vorhandenen Werke, die das ausgewählte Thema behandeln.

iconCo-zitierte Bücher

Lernen am Modell

Ansätze einer sozial-kognitiven Lerntheorie

(Albert Bandura) (1971)
Buchcover

Forschungsmethoden und Evaluation

für Human- und Sozialwissenschaftler

(Jürgen Bortz, Nicola Döring) (2001)  local 

Self-efficacy

The exercicse of control

(Albert Bandura) (1998)
Buchcover

Testtheorie und Fragebogenkonstruktion

(Helfried Moosbrugger, Augustin Kelava) (2007) local 
Buchcover

Quantitative Methoden 2

Einführung in die Statistik für Psychologen und Sozialwissenschaftler

(Björn Rasch, Malte Friese, Wilhelm Hofmann, Ewald Naumann) (2009) local 
Buchcover

Invent to Learn

Making, Tinkering, and Engineering in the Classroom

(Sylvia Libow Martinez, Gary Stager) (2013)  local 
Buchcover

Von Datenmanagement zu Data Literacy

Informatikdidaktische Aufarbeitung des Gegenstandsbereichs Daten für den allgemeinbildenden Schulunterricht

(Andreas Grillenberger) (2019) local web 

iconVolltext dieses Dokuments

Auf dem WWW From Embedded Systems to Physical Computing: Gesamtes Buch als Volltext (lokal: PDF, 80538 kByte; WWW: Link OK 2021-03-21)

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Beat hat diese Dissertation während seiner Zeit am Institut für Medien und Schule (IMS) ins Biblionetz aufgenommen. Beat besitzt kein physisches, aber ein digitales Exemplar. Eine digitale Version ist auf dem Internet verfügbar (s.o.).

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