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Wie erklärt man wie einComputer funktioniert?
Visualisierung in der technischen Informatik
Michael Weigend
Universität Münster
September 2010
Inhalt
1 Informatik, Computerhardware und intuitive Modelle
2 Anthropomorphe Visualisierungen
3 Digitale Prozessormodelle
4 Unterrichtsdesign
5 Rollenspiele
6 Quizshows
1 Informatik, Computerhardware und intuitive Modelle
Die besondere Rolle der Technischen Informatik
Verbindung zur physischen Realität
Schichten eines Informatiksystems
John P. Hayes: Computer Architecture and Organization 1978
Stufe Komponenten Informations-einheiten
Zeit
Anwendungs-software
Textverarbeitung,Programmeditor, …
Gigabyte
Betriebssystem Dateiverwaltung,Treiber, …
Gigabyte
Prozessor CPU, Datenspeicher byte 10-5 s
Register Register, logischeSchaltnetze
byte 10-11 s
Schaltgatter Logikgatter, Flipflops bit 10-12 s
Physische Realität: Elektronen, Halbleiter, Strom, Licht
Herausforderung
Hohe Komplexität
Geheimes Wissen
Flüchtigkeit
Ohne praktische Relevanz
Was wäre ohne hardwaretechnisches Hintergrundwissen?
Aus: Enchanted, USA 2007
This room is magical!Where does the
water come from?
Was wäre ohne hardwaretechnisches Hintergrundwissen?
Aus: Enchanted, USA 2007
From the pipes?
Was wäre ohne hardwaretechnisches Hintergrundwissen?
Aus: Enchanted, USA 2007
And where do the pipes get it?
I don’t know…
Was wäre ohne hardwaretechnisches Hintergrundwissen?
Aus: Enchanted, USA 2007
See, it’s magical!
Was wäre ohne hardwaretechnisches Hintergrundwissen?
Mythen und Fehlvorstellungen über Computer“Mein Computer hasst mich”
Programme wären bloße Algorithmen, abstrakte Konzepte ohne
Realitätsbezug und Gewissheit der Implementierbarkeit
Verlust des Verursachergefühls (Richard deCharms)“Ich weiß eigentlich gar nicht was ich tue (auch wenn ich alles richtig mache)”.
“Mein Programm funktioniert, aber ich habe keine Idee, was hier eigentlich passiert.”
Welche Art von Wissen zur technischen Informatik brauchen wir?
MetaphernDaten speichern und transportieren
Im Computer sind keine Zettel mit Zahlen und Bildern
Aus: V-Quiz 2010
Intuitive Modelle zur Arbeitsweise von Computern
Fischbein (1987): Intuition
diSessa (2001): Phänomenologisches Primitiv (p-prim)
Intuitives Modell = Dauerhaftes, subjektiv sicheres
Wissen über die Welt.
Psychologisches Phänomen:
Internes Modell
Kulturelles Phänomen:
Dokumentuiertes Modell
Drei Dimensionen der Repräsentation
MetaphorisierungExemplifizierung
Die Variable
enthält den
Wert 1
Kodierung: Ausdrucksmittel
(verbal, visuell)
“tragen”
“enthalten”
Grundlegende intuitive Modelle zur Arbeitsweise eines Prozessors
• Daten
• Daten speichern
• Daten transportieren
• Daten verarbeiten
• Daten repräsentieren
• Zustand
• Steuern, triggern
• Schichten der Funktionalität
Angemessener Umgang mit Modellen
• Grenzen der Aussagekraft eines Modells
Wo sind Vereinfachungen, Fehler?
• Es gibt mehrere Modelle für eine Sache
• Man kann ein Modell auf unterschiedliche Weise
dokumentiertenUnterscheidung von Oberfläche und Tiefe
2 Anthropomorphe Visualisierungen zur Hardwaretechnik
Der Computer als Königreich
Rollen: König Si Piuh. Mutter, Berater,
Busfahrer, Botschafter, Arbeiter, …
Personen mit unterschiedlichen Rollen
Room was made for the driver and 16 independent
wheels! At every stop the Mother waits patiently, sure
that the driver will come. With her pages of
instructions received from her Son, she gets on and
rides to the next stop.
Giovanni M. Bianco & Simonetta Tinazzi
Little Man Computer (LMC)
Stuart Madnick, 1965
Akteur: Little Man,
Szenerie:
100 Briefkästen
Eingabe-, Ausgabeschalen
Programmcounter
(zurücksetzbarer Zähler)
Taschenrechner
(Akkumulator und ALU)
Holphase und
Ausführungsphase
Befehlssatz des LMC
Stuart Madnick, 1965
Numeric codeMnemonic code
Instruction Description
1xx ADD ADDAdd the value stored in mailbox xx to whatever value is currently on the accumulator (calculator). Note: the contents of the mailbox are not changed, and the actions of the accumulator (calculator) are not defined for add instructions that cause sumslarger than 3 digits.
2xx SUB SUBTRACTSubtract the value stored in mailbox xx from whatever value is currently on the accumulator (calculator). Note: the contents of the mailbox are not changed, and the actions of the accumulator are not defined for subtract instructions that cause negativeresults - however, a negative flag will be set so that 8xx (BRP) can be used properly.
3xx STA STOREStore the contents of the accumulator in mailbox xx (destructive). Note: the contents of the accumulator (calculator) are notchanged (non-destructive), but contents of mailbox are replaced regardless of what was in there (destructive)
5xx LDA LOAD Load the value from mailbox xx (non-destructive) and enter it in the accumulator (destructive).
6xx BRA BRANCH Set the program counter to the given address (value xx). That is, value xx will be the next instruction executed.
7xx BRZ BRANCH IF ZEROIf the accumulator (calculator) contains the value 000, set the program counter to the value xx. Otherwise, do nothing. Note:since the program is stored in memory, data and program instructions all have the same address/location format.
8xx BRP BRANCH IF POSITIVE If the accumulator (calculator) is 0 or positive, set the program counter to the value xx. Otherwise, do nothing. Note: since the program is stored in memory, data and program instructions all have the same address/location format.
901 INP INPUTGo to the INBOX, fetch the value from the user, and put it in the accumulator (calculator) Note: this will overwrite whatevervalue was in the accumulator (destructive)
902 OUT OUTPUTCopy the value from the accumulator (calculator) to the OUTBOX. Note: the contents of the accumulator are not changed (non-destructive).
000 HLT HALT Stop working.
DAT DATAThis is an asssembler instruction which simply loads the value into the next available mailbox. DAT can also be used in conjunction with labels to declare variables. For example, DAT 984 will store the value 984 into a mailbox.
3 DigitaleProzessormodelle
Mikrosim
Torgesteuerter Datenfluss
Werner Simon (DOS) Konrad Dammeier (Delphi)
SL 16 - Prozessormodell
Jens Kompter, Felix Göcking, Uni Münster 2010 http://www.jk-coding.de/sl16/
Welches Teil eines
Prozessors fehlt?
Welches Register ist
überflüssig?
Welche sonstigen
Vereinfachungen ?
Registermaschine
David Stehle, Uni Münster 2010 ,http://www.web-dealers.de/regmachine/
Fokus auf
SchichtenkonzeptEinfacher Befehlssatz
reicht aus um alle
denkbaren Operationen
auszuführen.
4 Visualisierungen und Unterrichtsdesign
Erlebnisorientierung
Erlebnispädagogik,
Outward Bound
Ungewöhnliche Situation
neue Rolle, handeln
Realität (reale Gefahr)
Augenblick
Produktorientierung
Konstruktionismus
Kreativität
Präsentieren
Veröffentlichen
Dauerhaftigkeit
Erlebnisorientierte Informatik-Übungen
Algorithmen im Hörsaal
“Schreiben Sie die letztenDrei Ziffern IhrerMatrikelnummer auf einenZettel. Wer im Hörsaal hat die kleinste Zahl?”
Gerald Futschek 2007, 2010
Konstruktionismus
Idee: Etwas interessantes konstruieren und auf dem Weg neues Wissen entdecken.
Seymour Papert (MIT, Cambridge USA) 1967: LOGO mit Turtle-Grafik
Moderne Protagonisten
Mitchel ResnickMedia Lab, MIT, Cambridge, USA
Entwicklungszyklus
Scratch (2007)
Build It Yourself
Scratch
Computer-hardware
Elektronik-Komponenten
EverydayJunk
5 Rollenspiele
Typen von Rollenspielen
Drehbuch nachspielenIm Software Engineering kultiviert: Tracing eines Algorithmus
Reglementiertes RollenspielRollenkarten und Spielszenario
Frei assoziiertes und spontanes RollenspielSprachunterricht: Sketche in denen bestimmte Begriff vorkommen müssen
Ein Rollenspiel ist ein Spiel, in dem Spieler die Rollen fiktiver Charaktere bzw. Figuren
übernehmen und selbst handelnd soziale Situationen bzw. Abenteuer in einer erdachten
Welt erleben. Verwendet werden die eigene Fantasie, die Fantasie der Mitspieler und ein
Regelwerk, das das Spiel strukturiert und eingrenzt.Wikipedia, Stichwort „Rollenspiel“
Gesta
ltungsfr
eih
eit
Typ 1: Drehbuch nachspielen
Beispiel 1: Bilddaten transportieren
Aus: Bell, Fellows, Witten: CS unplugged
Typ2: Reglementiertes Rollenspiel
35
Nur Rollenbeschreibungen
vorgegeben – kein Drehbuch
Schüler improvisieren selbst
die Aktivität
Kassisches Rollenspiel bei
sozialwissenschaftlichen Themen und im
Unterhaltungsbereich
GTA San Andreas
Sozialform “ganzer Kurs”
Typischer Ablauf
Vorbereitung der Aktivität und Einführung
Vorbereitung des Klassenraums
Durchführung des Rollenspiels
(u. U. auch Zuschauer)
Reflexion, Diskussion, eventuell Weiterentwicklung
Sozialform “ganzer Kurs”
Vorteile
• Gemeinsames Erlebnis
• Lehrperson kann steuern (Impulse, Reflexionsphasen, …)
• kalkulierbarer Zeitbedarf
Nachteile
• Im Mittel weniger Schüleraktivität
• Übersicht kann verloren gehen
• Improvisieren bei komplexen Abläufen schwierig( Chaos)
Siehe z.B. Kenneth H. McNichols; M. Sami Fadali: The Classroom Computer: A Role-Playing
Educational Activity.
Debriefing
• Was waren die Schwierigkeiten beim Rollenspiel?
• Gibt es auch im Alltag Trigger?
• Ein weiteres Register C soll dazu geschaltet werden und auch
gelegentlich Daten von Register A empfangen.
Sozialform “Gruppen”
Typischer Ablauf
Vorbereitung der Aktivität und
Einführung durch den Lehrer
Gruppenbildung 4-5 Personen
Verteilung der Aufgaben
Rollenspiele
Vorführung mit anschließender kurzer
Diskussion
Debriefing (Reflexion, Diskussion)Bühne
Sozialform “Gruppen”
Vorteile
• Maximale Eigenaktivität
• Rollenspiele können selbst entwickelt werden (nicht nur Nachspielen)
Probleme
• Oft keine strukturtreuen Modelle (zu wenige Personen)
• Hoher Zeitbedarf für Präsentationen (falls Gruppen präsentieren sollen)
Binärzahlen durch Körpersprache darstellen
8. Klasse Gesamtschule 2010
Dokumentation eines Rollenspiels
Film mit realen Personen
Trickfilm mit Puppen und anderen kleinen
Materialien
Scratch-Film
Fotoroman mit Sprechblasen
(Präsentationssoftware)
Probleme: Mangelnde Motivation. Zeitbedarf.
Mangelnde Erfahrung.
Zum Mitmachen:Arbeitsweise eines Prozessors
Einführung
Rollenspiel in Gruppen von
5 Personen
Debriefing
Vereinfachtes Modell
Angelehnt an How Stuff Works
Rollenkarten
Rolle 1: Der Datenbus
Rolle 2: Alu und die Register A, B, C
Rolle 3: Instruction Register und Instruction
Decoder
Rolle 4: Befehlszähler und Adressregister,
Rolle 5: Adressbus und Hauptspeicher
Verteilung von Anfangswissen und Aktivität
Requisiten• Vorgefundene, zufällige Materialien (everyday junk) oder
• designtes Set von Requisiten
Anna-Sophie Trolle Terkelsen
(LEGO Serius Play)
LEGO
Sanduhr
MissionDer Prozessor wird gestartet.
Improvisiere ein Rollenspiel für fünf Personen.
Verwende Requisiten aus diesem Raum.
Hnweise zur Durchführung
Vorbereitung
• Rollenkarte lesen
• Eigene Rolle den anderen erklären
• Requisiten zusammenstellen
Rollenspiel
• Handeln und reden
• evtl. Handlung dokumentieren (Fotos)
Fragen zur Reflexion
6 Quizshows zur Hardwaretechnik
Lyceum Vilnius, Litauen
Informatik-Kurse, Jahrgangsstufe 9
Zwei Workshops im Mai 2010
Ziele des Quizdesign
Lernmittel mit interessanten Medien und
Interaktivität, geeignet für 45 min Workshops
an Schulen
Forschungsinstrument
• Wie gute verstehen Schüler bestimmte Metaphern?
• Welche Begriffe bevorzugen Schüler zur Erklärung
bestimmter Sachverhalte?
Mediengestaltung
Unterschiedliche Intuitionen Modellierung
Unterschiedliche Medientypen Kommunikation
Ablauf einer Quizshow
• Einführung
• Registrierung
• Quiz zur Einführung in die Handhabung
• Quizze zur Hardwaretechnik:
• Allgemeines Quiz mit Fragen, die
Vorkenntnisse abtesten
• Daten speichern (instruktives Quiz)
• Daten verarbeiten (instruktives Quiz)
• Gemeinsame Auswertung
• Preisvergabe
Live-Präsentation
7 Ausblick
Workshops mit V-Quiz und Rollenspielen in deutschen Schulen
und in den Niederlanden (Jahrgangsstufe 10).
Weiterentwicklung der Visualisierungen:
Grundlegende intuitive Modelle zur Datenverarbeitung (Verändern, Transport,
Vernichtung, Schichtenkonzept, …)
Instruktive V-Quizze zu spezielleren Hardwarekomponenten, die aus dem
Alltag bekannt sind. Dabei Rückgriff auf grundlegende Modelle.