Fachdidaktische Aspekte der theoretischen Informatik

Präsentation zum Thema: "Fachdidaktische Aspekte der theoretischen Informatik"—  Präsentation transkript:

1 Fachdidaktische Aspekte der theoretischen Informatik
Lehrerfortbildungsveranstaltung am FB Informatik Fachdidaktische Aspekte der theoretischen Informatik 12. GI-Fachtagung Informatik und Schule Didaktik der Informatik in Theorie und Praxis Christian Wagenknecht, Michael Hielscher Görlitz, am

2 Was haben wir heute vor? Informatiklehrpläne in D und Beispiel: Hessen
Sächs. LP  Ziele und Inhalte Probleme  fachdidaktische Antworten und ein Feld für Erprobungen AtoCC – ohne AtoCC hat man keine Chance! Abschluss

3 Lehrplan  Ziele und Inhalte
In den meisten Bundesländern sind ausgewählte Inhalte der TI Lehrplaninhalt der Sek. II: Nr.  Bundesland   Lehrplaninhalt (Lernbereich) Pflichtbestandteil 1 Baden-Württemberg Bereich der theoretischen Informatik (Automaten, Berechenbarkeit) nein 2 Bayern  3. Formale Sprachen (noch Entwurf) 3 Berlin  4.4 Sprachen und Automaten ja (auch GK) 4 Brandenburg Bereich D 2: Automaten und formale Sprachen 5 Bremen  Grundlagen der Theoretischen Informatik (Automaten, formale Sprachen) 6 Hamburg  7 Hessen Formale Sprachen und Grammatiken Automaten, Fakultativ: Übersetzerbau 8 Mecklenburg-Vorpommern 4. Sprachen und Automaten ja (auch GK)  9 Niedersachsen Eigenschaften endlicher Automaten Aspekte formaler Sprachen nein  10 Nordrhein-Westfalen Endliche Automaten und formale Sprachen 11 Rheinland-Pfalz Formale Sprachen und Automaten zur Sprachbeschreibung und Spracherkennung   ja (nur LK) 12 Saarland Automaten und formale Sprachen Fakultativ: Übersetzerbau 13 Sachsen  8 A: Formale Sprachen, Kellerautomat, Akzeptor 14 Sachsen-Anhalt 15 Schleswig-Holstein Automaten als mögliches Themengebiet 16 Thüringen Themenbereich 7.3: Einblick in formale Sprachen

4 Lehrplanauszug Hessen
Verbindliche Unterrichtsinhalte/Aufgaben: Formale Sprachen und Grammatiken reguläre und kontextfreie Grammatiken und Sprachen Anwendung mit Syntaxdiagrammen Chomsky-Hierarchie (LK) kontextsensitive Sprachen (LK) Endliche Automaten Zustand, Zustandsübergang, Zustandsdiagramm Zeichen, Akzeptor Simulation realer Automaten (z. B. Getränkeautomat) Anwendung endlicher Automaten (z. B. Scanner) deterministische und nicht-deterministische Automaten (LK) reguläre Ausdrücke (LK) Mensch-Maschine-Kommunikation (LK) Kellerautomaten (LK, GK fakultativ) Automat mit Kellerspeicher kontextfreie Grammatiken Klammerausdrücke, Rekursion Turing- oder Registermaschine Turing- oder registerberechenbar Churchsche These Computer als universelle symbolverarbeitende Maschine Verhältnis Mensch-Maschine Fakultative Unterrichtsinhalte/Aufgaben: Übersetzerbau Scanner, Parser, Interpreter und Compiler z. B. Steuersprache für Roboter, LOGO, Plotter oder miniPASCAL

5 Gefühlssituation der Lehrenden
"TI wollte ich nie machen." "TI hat mich nie richtig interessiert." "TI war mir immer zu theoretisch und abstrakt." "Die TI-Dozenten waren suspekt – TI im postgradualen Studium erinnere ich mit Grausen." "Die TI-Inhalten helfen mir nicht, wenn das Schulnetzwerk mal wieder zusammenbricht." ...

6 Lernbereich 8 A (Sächs. Lehrplan)
endlicher Automat GK Informatik f. Jahrgangsstufen 11 und 12, wird ab Schuljahr 2008/09 wirksam

7 Ausgangssituation für TI in der Schule
Manche Lehrende mögen es nicht. Manche Lehrende können es nicht richtig. SchülerInnen/Studierende fragen gelegentlich: "Wann geht es denn nun endlich richtig los mit der Informatik? Ach so, das ist es schon."  Lehrplaninhalt: Zeit-Inhalt-Relation bedenklich; lässt Kompetenzdefizite der Autoren vermuten "Ergebnis": Wenn möglich, TI weglassen. FALSCH!! Informatik wird nicht als Wissenschaft repräsentiert. (Kontrast zu Math., Nat.-wiss.) Konkret: Studienabbrecher!!!

8 TI an Hochschulen – NICHTS für Schulen
Typischerweise: Begrifflich orientiert, deduktiv Zeichen, Alphabet, Wort, Verkettung, Wortmenge Sprache, formale Grammatik, Ableitung reguläre Sprachen: Chomsky-Typ-3-Grammatik, reguläre Ausdrücke, DEA, NEA, L(DEA)=L(NEA), Minimalautomat, diverse Sätze (Nerode/Myhill, Pumping Lemma, ...), ... kontextfreie Sprachen: Typ-2-Gr., DKA, NKA, L(DKA)<L(NKA), Transformation G >>> NKA (1 Zustand), diverse Sätze, ... ksS / unbeschr. Sprachen: Typ-1- und Typ-0-Grammatiken, Turing-Maschine (beschränkt/unbeschränkt) * Theorie der formalen Sprachen * Automatentheorie * Berechenbarkeitstheorie * Komplexitätstheorie

9 Schwächen dieses Vorgehens
Geringe Motivation kfS (im Verbund mit rS) sind die für den Compilerbau wichtigste Sprachklasse – wird nicht gezeigt (evtl. in einem Extrakurs Compilerbau) Besser: Grundkonzepte des Compilerbaus konzeptionell thematisieren. Motivation aus der Praxis! Dies ist ohne Software-Hilfsmittel nicht möglich.

10 Unterrichtsplanung (14 Ustd.)

11 Simulationstool – Bildungsserver Hessen
Didaktische Software in Schulen: diverse Simulationstools oder Lernumgebungen, wie Kara; meist von enthusiastischen LehrerInnen in Hochschulen: Systeme für die Lehre, wie JFLAP LEX und YACC für die Hand des Ingenieurs Simulationstool – Bildungsserver Hessen

12 Defizite existierender Systeme
Systeme bzw. separate Module thematisieren Einzelaspekte nicht definitionskonform und/oder nicht an Lernprozessen orientiert, sondern die Prozess- Simulation dominiert Suggerieren abstrakten Automat als physikalisches Objekt Systeme können nur simple Beispiele bearbeiten – zu große Distanz zur Praxis

13 Lern- und Arbeitsumgebung für TI: Anforderungen
ganzheitlicher Ansatz: Praxis  Theorie  Praxis, s. Lehrplanforderung einheitliche Bedienung der Module (für Automatentheorie und Sprachübersetzer) Handlungsorientierung auf hohen Abstraktionsniveaus (wenig technischer Ballast auch für anspruchsvolle Aufgabenstellungen)

14 Lern- und Arbeitsumgebung für TI: Anforderungen
Selbstverantwortetes Lernen und Lerntyp- Bezug durch Angebot alternativer Arbeits- und Beschreibungsformen Binnendifferenzierung durch erweiterbare Aufgabenstellungen Beiträge des Lernenden durch Formulierung von Aufgabenstellungen/Musterlösungen Dokumentation der Arbeitsergebnisse mit hohe Darstellungsqualität

15 Modellierung des Übersetzungsprozesses mit "ausführbaren" T-Diagrammen
AtoCC - Vom abstrakten Automaten zur automatisierten Entwicklung von Sprachübersetzern Typische Kopplung von Automatentheorie mit Aspekten des Compilerbaus (s. Lehrpläne) Wichtige didaktische Entscheidung: Zielsprache sollte nicht Maschinencode sein!! ein enger Bezug der Herstellung eines Sprachübersetzers zu den theoretischen Grundlagen erfordert hohe Abstraktion Modellierung des Übersetzungsprozesses mit "ausführbaren" T-Diagrammen Gekürzte Punkte: Visualisierung und deskriptives Vorgehen bei der Compilerentwicklung mit VCC automatisierte Umsetzung in lauffähigen Compiler Übersetzungsprozess im T-Diagramm = Rückkehr zur Modellierungsebene

16 Unterrichtsplanung: 1. Woche

17 ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter
17 Praxisnahe (echte!) Aufgabe mit grafischer Ausgabe: Entwickeln Sie einen Compiler, der die Sprache ZR (ZeichenRoboter) in PDF übersetzt. Eingabewort (in ZR): WH 36 [WH 4 [VW 100 RE 90] RE 10] Ausgabewort (in PS): %!PS-Adobe-2.0 /orient 0 def /xpos 0 def /ypos 0 def 0 0 0 setrgbcolor /goto { /ypos exch def /xpos exch def xpos ypos moveto} def /turn { /orient exch orient add def} def /draw { /len exch def newpath xpos ypos moveto /xpos xpos orient sin len mul add def /ypos ypos orient cos len mul add def xpos ypos lineto stroke } def goto 100 draw 90 turn 100 … turn 10 turn 17