Theory of Computation as a Vehicle for Teaching Fundamental Concepts of Computer Science

Thesis 15035, ETH Zürich, D-INFK, May 2003

Raimond Reichert , 05.01.2003

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Zusammenfassungen

In der heutigen Informationsgesellschaft sind Kenntnisse der Grundlagen von Informations- und Kommunikationstechnologien (ICT) eine Schlüsselqualifikation und müssen Teil der Allgemeinbildung werden. Zentrale Themen der Informatik sind die Konzepte der Formalisierung sowie des Programmierens. Das Unterrichten dieser Konzepte als Teil der Allgemeinbildung ist eine anspruchsvolle Herausforderung. Existierende Ansätze sind typischerweise zeitaufwendig, obwohl Zeit in Schulen eine knappe Resource ist. Es gibt einen Bedarf für intuitive, benutzerfreundliche, qualitativ hochstehende Lernumgebungen als Unterst ützung für das Lehren und Lernen der Grundlagen von ICT im Rahmen der zur Verfügung stehenden Zeit.
Unser Ansatz verwendet die theoretische Informatik als Mittel zum Zweck, um ausgewählte Grundlagen der Informatik zu unterrichten. Die Hauptbeiträge dieser Dissertation sind die Kara-Lernumgebungen, die in diesem Text beschrieben sind. Ein Ziel der Umgebungen ist es, den Benutzern zu ermöglichen, innerhalb einer Stunde ihr erstes Programm erfolgreich schreiben können. Die Umgebungen basieren auf endlichen Automaten und umfassen:

Eine Einführung in die Programmierung, die sich an Leute ohne Programmiererfahrung richtet (die Kara-Umgebung).
Eine Einführung in die theoretische Informatik anhand von zweidimensionalen Turing Maschinen für Studierende, die sich mit der Theorie der Berechenbarkeit auseinander setzen (die TuringKara-Umgebung).
Einen Ansatz zum Unterrichten grundlegender Konzepte der nebenläufigen Programmierung in einer anschaulichen Art undWeise, der auf verschiedenen Stufen eingesetzt werden kann (MultiKara).
Einen reibungslosen übergang zum Programmieren mit Java für Leute, die mit Java oder ähnlichen Sprachen nicht vertraut sind (JavaKara).

Die grosse Verbreitung der Kara-Umgebungen an vielen Schulen auf unterschiedlichen Stufen und das sehr positive Feedback von Lehrenden und Lernenden haben uns überzeugt, dass der Theorie-basierte Ansatz von Kara erfolgreich ist und dass es sich lohnt, diesen Ansatz weiter zu verfolgen.

Von Raimond Reichert in der Dissertation Theory of Computation as a Vehicle for Teaching Fundamental Concepts of Computer Science (2003)

Kapitel

1. ICT: A Challenge for the Information Society
2. Theory of Computation as a Vehicle for Teaching Programming
3. Kara - Introduction to Programming for Beginners
4. TuringKara - Two-Domensional Turing Machines
5. MultiKara - Introduction to Concurrent Programming
6. JavaKara
7. Experience and Evaluation

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Personen
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Kent Beck , Mordechai Ben-Ari , Joseph Bergin , B. S. Bloom , Dietrich Boles , Valentin Braitenberg , Rodney Brooks , Jerome S. Bruner , Peter Brusilovsky , Eduardo Calabrese , D. E. Comer , Allen Cypher , Peter Denning , A. K. Dewdney , Edsger W. Dijkstra , Benedict du Boulay , Erich Gamma , David Gries , Mark Guzdial , Werner Hartmann , Richard Helm , Jozef Hvorecky , Ralph Johnson , Ken Kahn , Anatoly Kouchnirenko , Bertrand Meyer , Philip Miller , John Monk , Michael C. Mulder , Jürg Nievergelt , Tim O'Shea , Seymour Papert , Richard E. Pattis , Jef Raskin , Raimond Reichert , Jim Roberts , David Canfield Smith , Elliot Soloway , Jim Spohrer , Mark Stehlik , Allen B. Tucker , Alan Turing , A. Joe Turner , John Vlissides , Niklaus Wirth , Paul R. Young

Fragen
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Welche Ausbildung wird in der Informationsgesellschaft benötigt?

Begriffe
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Algorithmus

algorithm , Alice.org , Allgemeinbildung general education , Church-Turing-These , computer literacy computer literacy , Fundamentale Ideen , Fundamentale Ideen der Informatik , ICT ICT , Informatik-Unterricht (Fachinformatik)Computer Science Education , Interaktivität interactivity , Java ,

Kara , Konstruktionismus constructionism ,

Lernen

learning , Lernsoftware ,

LOGO (Programmiersprache)

LOGO (programming language) ,

Programmieren

programming , Programmiersprachen programming languages ,

Roboter

robot , Taxonomien von Bloom , Theorie theory , Turing-Maschine turing machine ,

Usability

Usability ,

Visualisierung

visualization

Bücher

Jahr	Titel	Abrufe	IB	OB	KB	LB
1956	Taxonomy of educational objectives (B. S. Bloom)	3, 7, 21, 2, 1, 2, 11, 3, 9, 5, 5, 5	159	25	5	3197
1960	The Process of Education (Jerome S. Bruner)	9, 16, 2, 1, 2, 3, 12, 3, 7, 3, 6, 4	86	16	4	2789
1972	Systematisches Programmieren (Niklaus Wirth)	2, 8, 4, 2, 1, 3, 10, 1, 8, 6, 3, 2	13	10	2	3759
1981	Karel the Robot (Richard E. Pattis)	7, 6, 5, 7, 7, 4, 8, 4, 1, 4, 3, 3	23	3	3	737
1982	Mindstorms (Seymour Papert)	11, 19, 6, 5, 4, 7, 19, 8, 13, 12, 5, 18	343	47	18	5930
1984	Vehicles (Valentin Braitenberg)	4, 4, 10, 6, 1, 3, 8, 2, 4, 11, 2, 3	27	2	3	1448
1988	Studying the Novice Programmer (Elliot Soloway, Jim Spohrer)	3, 7, 8, 2, 4, 5, 10, 4, 8, 11, 8, 3	64	47	3	560
1989	The Turing Omnibus (A. K. Dewdney)		8	0	0	0
1990	Principles of Concurrent and Distributed Programming (Mordechai Ben-Ari)	4, 5, 9, 6, 2, 1, 6, 3, 2, 4, 1, 2	3	6	2	608
1995	Design Patterns (Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides)	9, 4, 9, 5, 3, 1, 9, 2, 3, 7, 4, 4	46	13	4	4435
1996	Karel++ (Joseph Bergin, Mark Stehlik, Jim Roberts, Richard E. Pattis)	4, 2, 4, 3, 4, 8, 7, 10, 4, 3, 1, 4	5	5	4	576
1997	Object-oriented software construction 2nd Ed. (Bertrand Meyer)	6, 3, 4, 7, 7, 3, 1, 6, 3, 1, 2, 3	6	4	3	1069
1999	extreme Programming explained (Kent Beck)	12, 3, 5, 8, 8, 2, 11, 5, 4, 6, 4, 3	19	15	3	1308
1999	Programmieren spielend gelernt (Dietrich Boles)	2, 4, 8, 4, 1, 2, 5, 3, 1, 4, 2, 1	12	5	1	948
2000	The Humane Interface (Jef Raskin)	7, 3, 9, 9, 3, 2, 8, 4, 6, 6, 4, 1	9	12	1	1133
2021	Ideas That Created the Future (Harry Lewis)	32, 7, 16, 4, 5, 3, 16, 2, 14, 11, 9, 6	317	76	6	342

Texte

Jahr	Titel	Abrufe	IB	OB	KB	LB
1936	On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem (Alan Turing)	6, 6, 6, 12, 3, 3, 6, 2, 3, 4, 6, 2	51	3	2	2649
1981	The black box inside the glass box (Benedict du Boulay, Tim O'Shea, John Monk)	8, 7, 2, 1, 1, 2, 13, 4, 10, 7, 6, 3	21	14	3	773
1989	On the cruelty of really teaching computing science (Edsger W. Dijkstra)	4, 4, 7, 10, 4, 1, 9, 2, 3, 4, 2, 2	19	10	2	2249
1989	Computing as a Discipline (Peter Denning, D. E. Comer, David Gries, Michael C. Mulder, Allen B. Tucker, A. Joe Turner, Paul R. Young)	5, 2, 6, 8, 6, 1, 8, 2, 7, 3, 3, 1	22	9	1	471
1991	Intelligence without representation (Rodney Brooks)	4, 7, 18, 3, 1, 1, 3, 7, 5, 3, 2, 1	12	12	1	1132
1994	KidSim (David Canfield Smith, Allen Cypher, Jim Spohrer)	2, 3, 4, 1, 5, 6, 5, 3, 3, 6, 4, 5	12	3	5	487
1995	ToonTalk (Ken Kahn)		7	7	0	0
1995	Welchen Wert haben theoretische Grundlagen für die Berufspraxis? (Jürg Nievergelt)	6, 7, 7, 4, 6, 2, 10, 3, 14, 7, 8, 1	20	8	1	909
1997	Mini-languages (Peter Brusilovsky, Eduardo Calabrese, Jozef Hvorecky, Anatoly Kouchnirenko, Philip Miller)	5, 4, 6, 7, 6, 4, 7, 4, 5, 5, 2, 4	12	13	4	734
1999	Roboter programmieren - ein Kinderspiel (Jürg Nievergelt)	10, 2, 8, 7, 5, 1, 11, 2, 7, 6, 4, 2	9	25	2	3042
2000	Ein spielerischer Einstieg in die Programmierung mit Java (Raimond Reichert, Jürg Nievergelt, Werner Hartmann)	5, 4, 8, 3, 5, 1, 7, 4, 4, 6, 3, 18	11	6	18	1759
2001	Programming in schools - why, and how? (Raimond Reichert, Jürg Nievergelt, Werner Hartmann)	5, 3, 7, 17, 6, 1, 11, 3, 4, 4, 3, 3	3	22	3	1459
2001	Kara, finite state machines, and the case for programming as part of general education (Werner Hartmann, Jürg Nievergelt, Raimond Reichert)	2, 6, 6, 6, 3, 2, 10, 5, 2, 8, 1, 5	5	15	5	909
2002	Teaching the Nintendo Generation to Program (Mark Guzdial, Elliot Soloway)	4, 3, 4, 9, 11, 3, 6, 2, 5, 4, 6, 1	16	6	1	1624
2002	Informatik und Bildung zwischen Wandel und Beständigkeit (Werner Hartmann, Jürg Nievergelt)	3, 3, 8, 10, 2, 1, 9, 3, 6, 5, 6, 1	17	60	1	4008

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Nicht erwähnte Begriffe

blockbasierte Programmierumgebungen, Criterion of Sense, Criterion of Time, Horizontal Criterion, Informatik, Informatik-Didaktik, Informatikunterricht in der Schule, K1 knowledge / Wissen, K2 comprehension / Verständnis, K3 application / Anwendung, K4 analysis / Analyse, K5 synthesis / Synthese, K6 evaluation / Beurteilung, Scratch, Taxonomie von Bloom (kognitiver Bereich), Vertical Criterion

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Zeitleiste

4 Erwähnungen

Exorciser - Automatic Generation and Interactive Grading of Structured Exercises in the Theory of Computation (Vincent Tscherter) (2004)
- 1. Computers and Education - Theories, Systems, Guidelines
- 7. Experience and Evaluation
GraphBench - Exploring the Limits of Complexity with Educational Software (ETH Dissertation 16392) (Markus Brändle) (2006)
Interactive Learning Environments for Mathematical Topics (Ruedi Arnold) (2007)

Co-zitierte Bücher

Multimedia Learning

(Richard E. Mayer) (2001) local

Exorciser

Automatic Generation and Interactive Grading of Structured Exercises in the Theory of Computation

(Vincent Tscherter) (2004)

Volltext dieses Dokuments

Theory of Computation as a Vehicle for Teaching Fundamental Concepts of Computer Science: Full Text as PDF ( lokal

, 1834 kByte; WWW

2021-03-21)

Standorte

Beat Falsch ( 06.07.2003), Werner Falsch

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Beat und diese Dissertation

Beat war Co-Leiter des ICT-Kompetenzzentrums TOP während er diese Dissertation ins Biblionetz aufgenommen hat. Die bisher letzte Bearbeitung erfolgte während seiner Zeit am Institut für Medien und Schule. Beat besitzt ein physisches und ein digitales Exemplar. Eine digitale Version ist auf dem Internet verfügbar (s.o.). Es gibt bisher nur wenige Objekte im Biblionetz, die dieses Werk zitieren.

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