Forschung und Projekte der Stiftungsprofessur Informatikdidaktik Sekundarstufe 1

Physical Computing ist die Gestaltung interaktiver Objekte und Installationen und ermöglicht Lernenden, konkrete, greifbare Produkte der realen Welt zu schaffen, die ihren eigenen Vorstellungen 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 Umgebungen anzubieten. Längere Zeit wurde Physical Computing vorrangig in extracurricularen Kontexten unterrichtet. Daher hatte ein Grossteil der Schülerinnen und Schüler keine Gelegenheit, im Rahmen des Unterrichts gestalterisch tätig zu werden und interaktive Objekte herzustellen.

Ein Schwerpunkt der Forschungstätigkeit der Stiftungsprofessur liegt in der didaktischen Aufbereitung und Vermittlung von Fachinhalten aus den Bereichen «Eingebettete Systeme und Robotik» im Rahmen von Physical Computing für die informatische Bildung. Dabei sind fachliche sowie allgemein- und fachdidaktische Aspekte ebenso von Bedeutung wie die Umsetzung, empirische Untersuchung und Evaluation der entwickelten Konzepte. 

In der Informatikdidaktik sind Computersysteme sowohl Untersuchungsgegenstand als auch Werkzeuge, die kreatives Lernen und Gestalten ermöglichen. Daher ist die forschungsgeleitete Konzeption und (Weiter-)Entwicklung von Werkzeugen für den Informatikunterricht und die Einbettung dieser in geeignete Unterrichtsszenarien ein wichtiger Schwerpunkt der Arbeit dieser Professur. Bisher lag der Fokus dabei vorrangig auf der Entwicklung von geeigneter Hardware für den Zweck des Physical Computings (ein Aspekt der Tools im obigen Dreieck neben Software und Gestaltungsmaterialien bzw. -werkzeug).

Toolbox für Physical Computing

Informatik ist heutzutage in der Gesellschaft durch interaktive und eingebettete Computersysteme präsenter denn je. Um Schülerinnen und Schülern im Informatikunterricht die Möglichkeit zu geben, im Sinne des «Informatischen Töpferns» unkompliziert solche Objekte zu entwerfen und selbst herzustellen, beschäftigen wir uns mir der Zusammenstellung bzw. Konzeption entsprechender Werkzeuge unter Beachtung der folgenden vier Prinzipien:

• Einfache Handhabung: Die Lernenden erhalten vorgefertigte Sensoren und Aktoren mit einfachen Steckverbindungen, die kein Hantieren mit losen Litzen oder gar Löten erfordern, sondern sofortiges Experimentieren ermöglichen.
• Flexibilität und Erweiterbarkeit: Die Komponenten sollten eine flexible Gestaltung interaktiver Objekte ermöglichen. Bei Bedarf soll eine unkomplizierte Erweiterung um zusätzliche Komponenten möglich sein.
• Black-/Whiteboxing: Komponenten, die für das Verständnis des Sensors oder Aktors irrelevant sind, müssen nicht sichtbar sein, sollen aber bei Bedarf sichtbar werden können.
• Betonung informatischer Prinzipien: Grundlegende informatische Prinzipien sollen deutlich werden, z. B. das EVA-Prinzip durch optische Trennung der Anschlüsse für Ein- und Ausgabekomponenten (Sensoren/Aktoren).

Verschiedene Vorarbeiten zur (Weiter-)Entwicklung entsprechender Baukästen dienen dabei als Grundlage für die weitere Arbeit in diesem Bereich.

Programmierumgebung IoT-Snap!

IoT-Snap! ist eine Erweiterung der Programmierumgebung Snap!, die es ermöglicht, Arduino Uno Wifi und Wemos D1 Mikrocontroller Boards kabellos anzusteuern. Snap! bietet standardmässig die Möglichkeit, HTTP-Zugriffe durchzuführen, dies wird für die WLAN-Kommunikation zwischen Mikrocontroller und Computer via REST-Schnittstelle ausgenutzt. Dabei werden Programme nicht persistent auf den Mikrocontrollern gespeichert, sondern es läuft eine Firmware, die die dauerhafte Kommunikation sicherstellt - auf diese Weise werden die interaktiven Objekte über IoT-Snap! live programmiert bzw. konfiguriert. Es sind zusätzliche Erweiterungen geplant, beispielsweise zur Integration verschiedenen Datenquellen - auf diese Weise soll IoT-Snap! ermöglichen, das Internet der Dinge im Schulalltag be-greifbar zu machen.

Projekt auf GitHub

Ausserschulische Lernorte können verschiedenste Ziele haben und bieten die Möglichkeit, Schülerinnen und Schülern einen Blick über den Tellerrand zu erlauben, vertieftes Wissen zu erlangen oder auch als Schaufenster in die Informatik zu dienen. Gleichzeitig ist mit dem Besuch solcher Orte oft ein hoher motivationaler Faktor verbunden, weswegen wir es uns zum Ziel gesetzt haben, entsprechende Anlaufstelle für Schulklassen der Region zu sein - sei es in Ferienprogrammen, schülergerechten Hackathons, Schülervorlesungen oder Projekten, die direkt an Schulwissen anknüpfen. Konkrete Projekte und Termine werden künftig hier veröffentlicht.

Im Projekt CS Eduscape ist ein pädagogischer Escape Room entstanden (Newsmeldung), der mit Informatik-Rätseln für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I gespickt ist. Das Projekt verfolgt das Ziel, Schülerinnen und Schüler für Informatik zu begeistern und zu untersuchen, welche Informatikkompetenzen sie am Ende der Primarstufe zur Anwendung bringen können. Das Projekt wird durch die Akademien der Wissenschaften Schweiz im Rahmen des
MINT-Förderprogrammes unterstützt. Kontakt: Mareen Grillenberger, Beat Horat

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Seit 2021 richten wir im Rahmen des jährlich stattfindenden ScratchDays eine Scratch-Challenge für Schülerinnen und Schüler aus (Rückblick: 2023 / 2024). Diese findet traditionell im Mai statt und richtet sich an Kinder und Jugendliche der Primarstufe sowie der Sekundarstufe I. Die Scratch Challenge findet jedes Jahr unter einem anderen Motto statt, die besten Arbeiten werden ausgezeichnet. Kontakt: Mareen Grillenberger.

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Informatikdidaktik wird nach wie vor als junge Wissenschaft angesehen. Die ersten Professuren zur Didaktik der Informatik in Deutschland wurden erst in den 1990er Jahren geschaffen, es gab zu dieser Zeit nur wenige Forschungsgruppen, die sich mit der Didaktik der Informatik befassten. Ziel der Forschungsarbeit in diesem Bereich ist es, die Geschichte der Informatikdidaktik im deutschsprachigen Raum aufzuarbeiten und zentrale Personen, Ereignisse, Denkweisen, Strömungen, Veranstaltungen, etc. in geeigneter Form zu beschreiben. Fragestellungen, denen wir uns widmen, sind unter anderem:

• Wer sind die relevanten Personen der Didaktik der Informatik und was ist ihr jeweiliger Beitrag zur Entwicklung der Informatikdidaktik in Deutschland, Österreich und der Schweiz?
• Welche "Strömungen" der Informatikdidaktik gibt und gab es?
• Welche zentralen Veranstaltungen (z. B. Tagungen, Wettbewerbe, ...) sind prägend für die Weiterentwicklung der Informatikdidaktik?

In einer ersten Masterarbeit von Philipp Rüeger entstand neben theoretischen Erkenntnissen auch eine Projektwebseite, auf der Interviews mit relevanten Persönlichkeiten der Informatikdidaktik gesammelt werden. 

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