Debugging im Informatikunterricht

Abstract

Debugging ist ein Schlüsselproblem des Informatikunterrichts: Programmierfehler zu finden und zu beheben stellt für Schülerinnen und Schüler ein erhebliches Hindernis beim Programmierenlernen dar und ist eine große Quelle für Frustration. Gleichzeitig stehen aber auch die Lehrkräfte vor der enormen Herausforderung, allen Lernenden gleichzeitig gerecht zu werden. Nichtsdestotrotz fehlt es bisher an informatikdidaktischer Forschung, die sich diesem gravierenden schulpraktischen Problem annimmt.

In dieser Arbeit wird gemäß dem Forschungsformat der didaktischen Rekonstruktion der Prozess Debugging aus informatikdidaktischer Sicht aufgearbeitet. Dazu werden zunächst im Zuge der fachlichen Klärung vier Fähigkeiten identifiziert, die Schülerinnen und Schüler für selbstständiges Debugging benötigen: Die Anwendung eines systematischen Debuggingvorgehens, die Anwendung von Debuggingstrategien, die Verwendung von Heuristiken und Mustern für typische Fehler sowie von Werkzeugen. Das daraus resultierende Modell der Debuggingfähigkeiten für Novizen stellt damit die inhaltliche Basis für die Vermittlung von Debugging dar. Weiterhin wird die Perspektive der Lehrkräfte untersucht und analysiert, mit welchen Herausforderungen diese beim Debuggen im Unterricht konfrontiert sind und wie sie mit diesen umgehen. Die Lehrkräfte berichten dabei von großen Schwierigkeiten aufgrund mangelnder Selbstständigkeit der Schülerinnen und Schüler bei der Fehlerbehebung. Außerdem unterrichten sie Debugging kaum explizit, da es ihnen an Zeit, Konzepten und Materialien fehlt. Aus ihren Erfahrungen können weiterhin Gestaltungshinweise abgeleitet werden, wie etwa, dass Debugging nicht "auf Vorrat", sondern bei Bedarf unterrichtet und dabei die Selbstständigkeit der Lernenden auch aktiv eingefordert werden sollte. Darüber hinaus werden gesellschaftliche Ansprüche des Debugging untersucht und drei mögliche Beiträge zur Allgemeinbildung identifiziert: Zur Erklärung des Phänomens "fehlerhafte Software" aus der Lebenswelt, bezüglich des Lernens aus Fehlern sowie als Herangehensweise des Computational Thinking für Troubleshooting im Alltag. Daneben werden hinsichtlich der Perspektive der Lernenden Debugging-Lernvoraussetzungen von Schülerinnen und Schülern anhand ihres Vorgehens beim Troubleshooten erhoben, die deren Debuggingvorgehen beeinflussen. So wenden die Lernenden zwar ein systematisches Vorgehen für das Troubleshooten an und beziehen bisherige Erfahrungen und Muster für typische Fehler mit in diesen Prozess ein, haben aber insbesondere Probleme mit dem Aufstellen von (Alternativ-)Hypothesen oder dem Rückgängigmachen von erfolglosen Änderungen. Weiterhin haben sie Schwierigkeiten mit der Anwendung von Strategien wie dem Testen oder einer topographischen Suche, die entsprechend im Informatikunterricht adressiert werden müssen.

Auf dieser Basis werden zehn Gestaltungskriterien für Konzepte und Materialien für das Debugging im Unterricht entwickelt sowie ein konkretes integratives Unterrichtskonzept für den Informatikunterricht entworfen. Die Wirksamkeit der expliziten Vermittlung von Debugging wird anhand des Unterrichtskonzepts empirisch validiert: Die Ergebnisse zeigen dabei die Bedeutung eines systematischen Vorgehens als Grundlage für erfolgreiches Debugging für Novizen auf und verdichten empirisch die These, dass Debugging explizit vermittelt werden sollte. Abschließend wird die Praxiswirksamkeit der Ergebnisse die Gestaltung einer Fortbildung untersucht und bezüglich des Transfers in die Unterrichtspraxis evaluiert. Dabei zeigt sich, dass die professionelle Kompetenz der Lehrkräfte sowie der Stellenwert des Themas Debugging für ihren Unterricht gestiegen ist. Außerdem versuchen sie, eine positive Fehlerkultur im Unterricht zu etablieren, und adaptieren und erweitern dazu die Fortbildungsinhalte.

Zusammenfassend legt diese Arbeit damit die theoretische Grundlage für die Vermittlung von Debugging im Unterricht, indem relevante Debuggingfähigkeiten, unterrichtspraktische Anforderungen und Lernvoraussetzungen identifiziert werden. Darüber hinaus geben die Gestaltungskriterien sowie das evaluierte Unterrichtskonzept eine praxiswirksame Antwort auf die Frage, wie Debugging im Unterricht vermittelt werden kann. Neben diesen inhaltlichen Beiträgen werden im Rahmen dieser Arbeit zudem zwei methodische Beiträge geleistet. So wird einerseits ein Instrument zur Messung von Debuggingleistung und andererseits ein innovativer methodischer Ansatz zur Untersuchung von Troubleshooting-Vorgehensweisen entwickelt.