Art der Arbeit:

Dissertation Informatik

Status:

Thema in Bearbeitung

Verfasser:

Matthias Kramer

Ansprechpartner:

• Matthias Kramer

Gutachter:

• Prof. Dr. Torsten Brinda

Kurzfassung

Ausgehend von den Ergebnissen, die durch internationale Vergleichsstudien wie PISA und TIMMS hervorgebracht wurden, erlebte das deutsche Bildungssystem in den letzten Jahren einen Paradigmenwechsel vom wissensbasierten zum kompetenzorientierten Unterricht. Im Fokus stehen weniger das Wissen über bestimmte Fachbereiche als die Fähigkeit gegebene Probleme in diesem Bereich zu lösen. Basis dafür sind die von Expertengruppen vorgelegten sog. Nationalen Bildungsstandards. In diesen zum größten Teil normativen Setzungen werden die Fähigkeiten und Fertigkeiten festgehalten, die Lernende bei Abschluss einer bestimmten Stufe erreicht haben sollen. Da es sich bei Kompetenzen um latente Konstrukte handelt, manifestiert sich das Erreichen einer bestimmten Kompetenzstufe z.B. durch das Bewältigen charakteristischer Aufgaben für diese Stufe.

Spätestens seit 2007 werden die formulierten Bildungsstandards auch im größeren Rahmen empirisch untersucht. Eines der wegweisenden Programme war das DFG-Schwerpunktprogramm 1293 "Kompetenzmodelle zur Erfassung individueller Lernergebnisse und zur Bilanzierung von Bildungsprozessen", welches konkrete Stufen von der theoretischen Kompetenzmodellierung bis hin zum Einsatz in der Individualdiagnostik vorschlägt und vielfältige Projekte unter sich vereint hat. Im Rahmen dieses Schwerpunktprogramms erfolgten die Modellierung von Kompetenzen sowie deren empirische Validierung in verschiedenen Themenfeldern der einzelnen Fachbereiche, bspw. zum fächerübergreifenden und fachlichen Problemlösen. Im Bereich der Didaktik der Informatik wurde ab 2008 das DFG-Projekt MoKoM ins Leben gerufen. In dessen Verlauf wurden erstmals Kompetenzen für den Bereich Modellierung und Systemverständnis in der Informatik systematisch beschrieben, empirisch abgesichert und unter Zuhilfenahme psychometrischer Messmethoden ausgewertet. Das BMBF-Projekt KUI beschäftigte sich mit der Kompetenzmodellierung zukünftiger Lehrkräfte im Bereich der Informatik. Für weitere Teilgebiete der Informatik, wie z. B. Automaten und formale Sprachen, Daten und deren Strukturierung oder Algorithmik, wurden solche Modelle bislang noch nicht beschrieben. Der kompetente Umgang mit den Themen "Daten und ihre Strukturierung" sowie "Algorithmen" wird üblicherweise im Rahmen der Programmierung erlernt, wobei das objektorientierte Paradigma dabei heutzutage eine vorherrschende Rolle spielt. Kompetent zu programmieren kann dabei grob als die Fähigkeit verstanden werden, ein gegebenes Problem zu abstrahieren, zu formalisieren, konkrete Strukturen auszuwählen, einen Rechner das Problem auf formaler Ebene lösen zu lassen und das entstandene Ergebnis zu interpretieren. Unklar ist dabei jedoch, ob dies als eine Fähigkeit verstanden werden kann oder ob sich diese Kompetenz in Teilstrukturen aufgliedert.

Ziel dieser Dissertation ist es daher einen Beitrag zur Klärung zu liefern, durch welche Strukturen sich Kompetenzen im Bereich der objektorientierten Programmierung am besten erklären lassen. Weiterhin wird untersucht, ob und in welche Teildimensionen sich das latente Konstrukt der objektorientierten Programmierkompetenz aufgliedert. Die Arbeiten von Schott/Azizi Ghanbari machen deutlich, dass eine Kompetenzstufe auch durch eine Ansammlung von Aufgaben beschrieben werden kann, die auf dieser Stufe gelöst werden können. Daher wird durch systematische Aufgabenanalyse aus dem sekundären und tertiären Bildungsbereich sowie in Lehrplänen abgelegten Kompetenzbeschreibungen mittels qualitativer Inhaltsanalyse ein Kategoriensystem gewonnen, aus welchem ein normatives Kompetenzmodell abgeleitet wird. Die hinreichende Vollständigkeit und Korrektheit des entstandenen Modells soll durch Experteneinschätzungen aus Lehrpraxis und Fachdidaktik abgesichert werden. In Zusammenarbeit mit Vertretern aus Psychologie und Psychometrie wird das gewonnene Modell anschließend in ein psychometrisches Messmodell überführt. Im nächsten Schritt werden auf Basis des gewonnenen Messmodells Testitems erstellt, pilotiert, verbessert und anschließend einer repräsentativen Kohorte zur Verfügung gestellt. Dabei werden gewonnene Erkenntnisse bzgl. der Auswertung von Concept Maps mit berücksichtigt. Die Auswertung der Items bzgl. standardisierter Gütekriterien, respektive die Bestimmung der Itemschwierigkeiten und Personenfähigkeiten, erfolgt mittels Methoden aus der Item-Response-Theorie. Hartig und Frey haben dazu bereits die Vorteile dieser Forschungsmethodik für ein Vorgehen dieser Art erarbeitet. Die gefundenen Ergebnisse sichern so das normative Modell empirisch ab.

Kurzfassung in Englisch:

Based on the results of international comparative studies such as PISA and TIMMS the educational system in Germany experienced a paradigm shift from knowledge centered to competence oriented education. The abilities to solve problems in a certain field became more important than focusing merely on gaining knowledge on a specific matter. To support this shift several expert groups published so called National Educational Standards. These mostly normative statutes list the skills and abilities students should have at disposal when reaching a certain level of education. Since competencies are latent structures, achieving a certain level of competency becomes manifest in e.g. mastering characteristic tasks for this level.

At least since 2007 the formulated educational standards are systematically analyzed on an empirical level. One of the main projects was the Priority Program 1293 "Competence Models for Assessing Individual Learning Outcomes and Evaluating Educational Processes" of the German Research Foundation (DFG) in which several topics from different educational fields were subsumed. The framework of this program supposed specific steps reaching from the theoretical modelling of competencies up to using the findings in diagnostics on an individual level. Competencies were modelled and empirically validated for certain parts of specific content areas of several educational fields as well as for more general aspects, e.g. interdisciplinary and subject-specific problem-solving. In Informatics Education research during the MoKoM project, also granted by the DFG, competence structures for informatics systems and modelling were analyzed, systematically described and empirically evaluated using methods of psychometric measuring. On the other hand, KUI (granted by the federal ministry of education and research (BMBF)) analyzed, which competencies future educators in the area of Informatics should possess. For further content fields of Informatics, e.g. automata and formal languages, data and their structure or algorithms empirically founded models are not known yet. The competent handling of the topics “data and their structure” as well as “algorithms” is usually acquired via programming, where the paradigm of object-oriented programming plays a more dominant part these days. To be competent in programming can be understood roughly as the ability to abstract a given problem, to formalize it, to choose specific structures for its formal representation, to let a computer calculate a result on a formal level and to interpret these results. Nevertheless it is in not quite obvious, whether this is one ability or a collection of several subdivisions.

Therefore the aim of this dissertation is to support the clarification process, which structures can explain competencies for object-oriented programming the best. Furthermore it will be examined, if possible sub-dimensions of programming competence exist and how they are arranged. The works of Schott/Azizi Ghanbari make clear, that a certain competence level could also be described by a collection of typical tasks that can be solved at this level. Hence, through systematic analyzing of typical tasks in the field of introductory programming in teaching books, hand-outs and introductory lectures in secondary and tertiary education as well as competency descriptions given in federal curricula, a category system will be extracted via the methods of content analysis. A normative competence model will then be derived out of this category system. The sufficient completeness and correctness of this model will be confirmed by an evaluation of experts in the field of pedagogical content. By collaborating with representatives of psychology and psychometrics, the normative model will be transferred into a psychometric measuring model. This model will be the basis for upcoming items, which will be formulated, piloted, enhanced and finally tested on a representative cohort. The resulting findings will be enriched with the drawing of concept maps. The evaluation of the item quality features as well as the distinguishing of item difficulty and person ability will be done with the methods of Item Response Theory. Hartig and Frey explained the advantages of this research methodology for projects with aims comparable to this one. The results will cover the previous findings on an empirical level.