Forschung im Fach Informatik
I. Digitalisierung von Unterricht
Digitalisierung bedeutet Einsatz von Computern und Vereinfachung der Automatisierung von Arbeitsabläufen. Digitale Technologietrends sind etwa Internet of Things, Virtual Reality, Künstliche Intelligenz, Robotik, Big Data. Die Digitalisierung hat einen enormen Einfluss auf Lebensbereiche, wie zum Beispiel Smart Home, Autonomes Fahren, Industrie 4.0, Arbeitsmarkt, Wohlstand und Schule. Digitalisierung gelingt nur, wenn technische Fortschritte, wie etwa digitale Enzyklopädien, semi-automatisierte Prozesse oder Cloud-Computing auch effizient, effektiv und problembewusst genutzt werden können.
Für die Digitalisierung von Unterricht hat Cloud-Computing eine besondere Bedeutung, weil IT-Ressourcen und -Services über das Internet zur Verfügung gestellt werden und nicht auf dem Desktop installiert sein müssen. Über einen Cloud Provider, wie etwa Google, ist für einen lernwirksamen Unterricht das Software-as-a-Service-Modell (SaaS) mit Google Drive, Google Classroom, Google Meet u.a. prädestiniert (sofern Datenschutzbedingungen erfüllt sind). Unterrichtsmethoden unterscheiden sich dadurch, dass sie verschiedene Aktivitäten aus Sicht der Schüler bzw. aus Sicht der Lehrperson erfordern. Die Durchführung einzelner Aktivitäten ist meistens an bestimmte Bedingungen geknüpft.
Mit so genannten Time Line Bubble Charts, die für den virtuellen Informatikunterricht optimiert sind, lassen sich einzelne Aktivtäten, deren Ergebnisse und deren Aufwände, Schüler- und Lehrerrolle sowie die zu verwendenden Web-Tools so verfügbar machen, dass sie für den virtuellen Unterricht kommunizierbar, kooperierbar und praktisch einsetzbar sind. Im aktuellen Forschungsprojekt der Abteilung Informatik werden Unterrichtmethoden (Problemorientierter Unterricht, Lernaufgaben, Entdeckendes Lernen, u.a.) für den virtuellen Unterricht, Home-Schooling und Tablet-Unterricht vor dem Hintergrund von Schlüsselarchitekturen untersucht, bewertet und für den digitalen Einsatz vorbereitet.
II. Empirische Informatikdidaktik
Theoriegeleitete empirische Forschung ist die Forschungsstrategie, die in der Abteilung Informatik der Pädagogischen Hochschule Ludwigsburg bevorzugt wird, wobei dem quantitativen Paradigma ein besonderer Stellenwert zukommt.
Inhaltlich sind die folgenden drei Schwerpunkte behandelt und durch zahlreiche internationale Veröffentlichungen verfügbar:
- Inhalts- und Prozesskonzepte für den Informatikunterricht
- Unterrichtsmethoden für den Informatikunterricht
- Vergleich der Lernwirksamkeit ausgewählter Unterrichtsmethoden für den Informatikunterricht
(1) Inhalts- und Prozesskonzepte für den Informatikunterricht
Informatikinhalte für den Informatikunterricht umfassen Inhalts- und Prozesskonzepte, die sich nicht an kurzfristigen Entwicklungen orientieren, sondern auf grundlegende Strukturen der Fachdisziplin Informatik zurückgreifen.
In mehreren nationalen und internationalen Umfragen wurden empirisch die informatischen Inhalts- und Prozesskonzepte ermittelt und bewertet, die als Hintergrundwissen besonders wichtig für den Informatikunterricht sind. Die sogenannte Blaue Matrix zeigt welche Inhalts- und Prozesskonzepte einen besonderen Stellenwert besitzen müssen: problem, model und algorithm sind dabei die am höchsten bewerteten Inhaltskonzepte, analyzing, categorizing und classifying die am höchsten bewerteten Prozesskonzepte.
Die Blaue Matrix (Zendler, Spannagel, Klaudt) veranschaulicht etwa, dass das Inhaltskonzept problemin Bezug zu fast allen Prozesskonzepten besonders hohe Werte aufweist. Demzufolge sollte problem unter Einbeziehung einer ganzen Reihe von Prozesskonzepten im Informatikunterricht ein besonderer Stellenwert zukommen. Das Gleiche gilt umgekehrt für das Prozesskonzept analyzing für die Vermittlung von Inhaltskonzepten. Wie die Blaue Matrix zeigt, besitzt analyzing hinsichtlich fast aller Inhaltskonzepte hohe Werte. Für den Informatikunterricht ist analyzing demnach besonders interessant, wenn es für das Unterrichten von Inhaltskonzepten eingesetzt wird.
(2) Unterrichtsmethoden für den Informatikunterricht
Unterrichtsmethoden spielen für erfolgreiches Lernen eine zentrale Rolle. Begründungen, warum Lernen mit unterschiedlichen Unterrichtsmethoden besser funktioniert, liefern die Kognitionspsychologie, zunehmend die Neurowissenschaft und neuerdings die Neurodidaktik.
Herausfordernde Aufgaben der allgemeinen Didaktik wie auch der Fachdidaktiken sind Antworten auf die Fragen, welche Unterrichtsmethoden für den Schulunterricht geeignet sind, welche Unterrichtsmethoden im Fachunterricht eingesetzt werden sollen, und wie Unterrichtsmethoden den Lernvorgang unterstützen. Zur Beantwortung der Frage, welche Unterrichtsmethoden im Fachunterricht einzusetzen sind, gibt die fachdidaktische Literatur spezifische Auskunft für die meisten Fächer.
Seit kurzem liegt auch für die Informatikdidaktik eine Monographie (Zendler, 2018) vor, die ausführlich den Einsatz von Unterrichtsmethoden für das Fach Informatik behandelt. Sie basiert auf Ergebnissen einer empirischen Untersuchung, in der Informatiklehrer 20 Unterrichtsmethoden in Bezug zu sechs Wissensprozessen bewerteten. Das Ergebnis der Untersuchung zeigt, dass bestimmte Unterrichtsmethoden besonders für den Informatikunterricht prädestiniert sind: Problemorientierter Unterricht, Lernaufgaben, entdeckendes Lernen, Computersimulation, Projektmethode und direkte Instruktion.
(3) Vergleich der Lernwirksamkeit ausgewählter Unterrichtsmethoden für den Informatikunterricht
Für die Bewertung von Unterrichtsmethoden sind empirische Untersuchungen notwendig, die Aussagen über ihre Lernwirksamkeit erlauben. Ein besonders interessanter Zugang ist der Vergleich von zwei Unterrichtsmethoden unter kontrollierten Bedingungen im konkreten Unterrichtseinsatz. Solche Vergleiche wurden von der Abteilung Informatik mit mehreren Schulen in Baden-Württemberg durchgeführt.
Die Ergebnisse haben eine zentrale Bedeutung für den Aufbau einer Theorie der Unterrichtsmethoden, speziell für deren Einsatz im Informatikunterricht. Für das Fach Informatik wurde mehr als ein Dutzend solcher empirischer Vergleiche durchgeführt (vgl. Zendler, Fest, Klaudt, Seitz, u.a., 2016–2021) und in internationalen Journals der Informatikdidaktik veröffentlicht. Sie sind für die Informatikdidaktik unter fünf Aspekten interessant: (1) Sie vergleichen wichtige Unterrichtsmethoden für den Informatikunterricht, (2) sie verwenden Versuchspläne, die Unterrichtsmethoden, Klassenkontext und Lernzeitpunkte einbeziehen, (3) sie verwenden Unterrichtsinhalte, die aus Sicht der Informatikdidaktik (und auch der Gesellschaft der Informatik) eine wichtige Rolle besitzen, (4) sie verwenden Auswertungsansätze, die für kleine Stichproben (N = small), wie sie in Schulklassen vorliegen, prädestiniert sind, und (5) sie berichten über empirische Ergebnisse, die für den Informatikunterricht relevant sind.
Konkrete, empirisch abgesicherte Ergebnisse sind etwa:
- E1.Informatik = „Im Informatikunterricht lassen sich mit dem Leitprogramm gegenüber dem reziproken Lehren größere Lernerfolge erzielen“,
- E2.Informatik =„Im Informatikunterricht lassen sich mit dem Planspiel gegenüber der Computersimulation größere Lernerfolge erzielen“,
- E3.Informatik = „Im Informatikunterricht lassen sich mit der direkten Instruktion gegenüber dem WebQuest größere Lernerfolge erzielen“.
III. Forschungsmethoden für die Informatikdidaktik
Unterrichtsforschung auf der Grundlage des experimentellen Paradigmas muss sich vier wichtigen forschungstechnischen Themen stellen, die für die empirische Unterrichtsforschung im Allgemeinen und für die Informatikdidaktik im Besonderen von zentraler Bedeutung sind:
- Versuchsplanung
- Berechnung des Stichprobenumfangs
- Umgang mit fehlenden Daten
- Statistische Auswertungsansätze
(1) Versuchsplanung
Neben der Forderung, dass in die Versuchsplanung mehrere Faktoren einzubeziehen sind und auch der Klassenkontext zu berücksichtigen ist, wird die Verwendung von Versuchsplänen mit Messwiederholung(en) empfohlen.
Für die Unterrichtsforschung haben folgende Versuchspläne eine besondere Bedeutung. In der Nomenklatur von Kirk sind dies RB-p (Randomized Block designs), CR-p (Completey Randomized designs), CRF-p×q (Completey Randomized Factorial designs) und SPF-p·q (Split-Plot Factorial designs). Besonders hervorzuheben ist der Versuchsplan SPF-p×r·q (Split-Plot Factorial designs).
Wegen der Wichtigkeit der Versuchsplanung für die empirische Forschung, insbesondere für die Informatikdidaktik stehen eigene Ausarbeitungen zur Verfügung.
(2) Stichprobenumfang
Der Stichprobenumfang spielt eine zentrale Rolle bei der Planung experimenteller Untersuchungen, deren Ziel die Prüfung von Ursache-Wirkungszusammenhängen ist. Vom Stichprobenumfang sind abhängig: (1) die Genauigkeit und die Richtigkeit der Ergebnisse, (2) die Kosten für die Identifizierung und die Messung von Individuen in einer Stichprobe, sowie (3) die verfügbaren Ressourcen wie Zeit und Geld. Wegen der Wichtigkeit des Stichproben-umfangs für die empirische Forschung, zumal für die Informatikdidaktik stehen eigene Ausarbeitungen zur Verfügung.
(3) Umgang mit fehlenden Daten
Fehlende Daten sind in empirischen Untersuchungen normal, auch in der Unterrichtsforschung sind sie kaum zu vermeiden. Für den Umgang mit fehlenden Daten werden in der Praxis oft relativ einfache, aber sub-optimale Verfahren eingesetzt: Listenweise und paarweise Löschung, Mittelwert- und Regressionswertzuschreibung.
Mit Multiple Imputation steht allerdings eine flexible Methode zur Verfügung, die das Problem fehlender Daten löst. Es liefert die Lösung, damit komplette Datensätze (Datensätze mit voller Fallzahl) in die weitere statistische Verarbeitung eingehen können; zudem löst es das Problem von zu großen und zu kleinen Standardfehlern.
Das Verfahren der multiplen Imputation steht in SPSS seit Version 17 zur Verfügung. Sehr flexibel einsetzbar ist das Paket mice unter R.
Wegen der Wichtigkeit des Verfahrens für die empirische Forschung, insbesondere für die Informatikdidaktik stehen eigene Ausarbeitungen zur Verfügung.
(4) Statistische Auswertungsansätze
Für die Unterrichtsforschung vor dem Hintergrund des experimentellen Paradigmas werden üblicherweise relativ große homogene Stichproben (N = large) vorausgesetzt, insbesondere dann, wenn die Testung von Hypothesen zur Klärung von Ursache-Wirkungszusammenhängen im Vordergrund des Interesses steht, hohe Repräsentativität verlangt und ein hoher Grad an externer Validität beansprucht werden. Ist das Ziel experimenteller Unterrichtsforschung aber derart, dass die Generierung von Hypothesen und der Einblick in mögliche Ursachenzusammenhänge im Fokus stehen sowie spezifische Repräsentativität verlangt und ein hoher Grad an interner Validität beansprucht werden, sollte mit kleinen Stichproben (N = small) geplant werden. Bei Anwendung dieser Techniken erhält man in der Regel Stichproben, die relativ klein sind. Für die Auswertung der Daten aus solchen Stichproben sind statistische Verfahren erforderlich, die für kleine Fallzahlen anwendbar sind. Prinzipiell stehen für die Datenauswertung vier Ansätze zur Verfügung: (1) parametrischer Ansatz, (2) parametrischer Ansatz mit Rangtransformation, (3) nicht-parametrischer Ansatz und (4) Ranking after Alignment.
Wegen der Wichtigkeit der Auswertungsansätze für die empirische Forschung, zumal für die Informatikdidaktik, stehen eigene Ausarbeitungen zur Verfügung.
Aktuelle Forschungsprojekte im Fach Informatik
- Digitalisierung von Unterricht
- Frühe informatische Bildung
- Computational Thinking
- Programmieren mit Kindern
Abgeschlossene Forschungsprojekte im Fach Informatik
- Zentrale Inhalts- und Prozesskonzepte der Informatik aus unterrichtspraktischer Sicht
- Entwicklung einer kompetenzorientierten Informatikdidaktik
- Workflowbasierte Entwicklung von e-Learning-Produkten für den Einsatz an Realschulen
- Freizeitinformatik - Zur Etablierung informatischen Grundwissens in der Freizeit
- Didaktische und technologische Elemente des e-Learning Engineering
- Virtualisierung didaktischer e-Learning-Szenarien aus hochschuldidaktischer Sicht
- Frühkindliche Informatikbildung
- 2002-2006: Forschungs- und Nachwuchskolleg Fachintegratives Lernen mit digitalen Medien (FuN-FiLM)
- 1998-2003: Virtualisierung im Bildungsbereich (VIB; Verbundprojekt der Pädagogischen Hochschulen des Landes Baden-Württemberg)
Forschungskolloquium
Im Forschungskolloquium des Instituts für Mathematik und Informatik tragen einerseits eingeladene Gäste vor, andererseits wird der Stand eigener Forschungsprojekte präsentiert und diskutiert.
