P356 - DELFI 2024 - Die 22. Fachtagung Bildungstechnologien

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Schroeder, Ulrik

Strickroth, Sven

Görzen, Sergej

Harrer, Andreas

Schiffner, Daniel

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19squared - Interaktive XR-Inhalte gemeinsam selbst erstellen
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Ehlenz, Matthias; Maquet,Frederic; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Die hier vorgestellte Demo präsentiert ein webbasiertes Tool, welches Lehrkräften und Schüler:innen die Erstellung eigener immersiver und interaktiver Lerninhalte für den Unterricht ermöglicht. Als zentrales Medium dienen 360°-Aufnahmen (Fotos und Videos), welche mittlerweile mit relativ geringem Aufwand mit Actioncams, Smartphone-Gimbals oder Drohnen selbst erstellt werden können. Das Open Source-Werkzeug ermöglicht die Verarbeitung der Aufnahmen zu interaktiven Touren, welche im Browser, auf dem Tablet oder in Virtual Reality erkundet werden können. Zudem bietet die Software die Möglichkeit der kollaborativen Bearbeitung, die Erstellung von virtuellen Escape Rooms sowie die Beobachtung des Lernfortschritts durch Learning Analytics-Integration. Im Rahmen der Demonstration können sowohl das Erstellen interaktiver Touren mit vorbereitetem 360° Material als auch das Durchführen von Exkursionen, die bereits in der Lehre eingesetzt werden, erprobt werden. Zudem kann auch die eigenständige Erstellung von 360°-Medien auf verschiedene Arten getestet werden, sofern die Rahmenbedingungen es zulassen.
360°-Perspektiven: von der physischen zur virtuellen Ausstellung im Hochschulkontext
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Mascher, Ulrike; Fernes, David; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Das Paper gibt Einblick in die Entwicklung, Umsetzung und Evaluation einer 360°- Ausstellung im Hochschulkontext. Nach einer kurzen Einführung zum Lernen mit Hilfe von 360°-Technologie wird zunächst der Umsetzungsprozess von der physischen Ausstellung zur 360°- Ausstellung dargestellt. Schließlich werden die Ergebnisse einer Nutzendenbefragung – mittels System Usability Scale sowie Freitexteingaben – vorgestellt. Basierend auf dem Feedback der Nutzer*innen wurde die 360°-Ausstellung in einem nächsten Schritt weiterentwickelt. Die identifizierten Stärken, wie der 360°-Panoramablick, der räumliche Eindruck, selbstgesteuerte, explorative Wissenserschließung, sowie ein hoher Interaktivitäts- und Individualisierungsgrad zeigen das Potenzial der Anwendung. Die dargestellten Erfahrungen und Erkenntnisse können als Best-Practice-Beispiel Orientierung für ähnliche Projekte bieten.
Adaptive Learning Systems in Programming Education: A Prototype for Enhanced Formative Feedback
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Lohr, Dominic; Berges, Marc; Chugh, Abhishek; Striewe, Michael; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Formative feedback is crucial in programming education, yet many learning systems fall short, concentrating mostly on pinpointing errors rather than guiding learners on how to resolve them. This is particularly unhelpful for novices who often lack advanced skills like debugging. Feedback is considered more valuable when it addresses error causes rather than just symptoms. However, this is challenging using only conventional methods like unit testing. Identifying error causes requires detailed information about both the error and the learner. Our proposed prototype introduces a new approach to integrating programming exercises into adaptive learning systems. It directly categorizes student code into so-called answer classes using a combination of static and dynamic code analysis. When integrated with data derived from a learner model, this approach enables tailored feedback that lowers the barrier to learning programming while keeping motivation high.
Analyzing Chat Protocols of Novice Programmers Solving Introductory Programming Tasks with ChatGPT
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Scholl, Andreas; Schiffner, Daniel; Kiesler, Natalie; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Large Language Models (LLMs) have taken the world by storm, and students are assumed to use related tools at a great scale. In this research paper we aim to gain an understanding of how introductory programming students chat with LLMs and related tools, e.g., ChatGPT-3.5. To address this goal, computing students at a large German university were motivated to solve programming exercises with the assistance of ChatGPT as part of their weekly introductory course exercises. Then students (n=213) submitted their chat protocols (with 2335 prompts in sum) as data basis for this analysis. The data was analyzed w.r.t. the prompts, frequencies, the chats’ progress, contents, and other use pattern, which revealed a great variety of interactions, both potentially supportive and concerning. Learning about students’ interactions with ChatGPT will help inform and align teaching practices and instructions for future introductory programming courses in higher education.
Augmented Reality an der Schnittstelle von Hochschuldidaktik und Technologie: Integration von realen Objekten für medialgestütztes Lernen
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Haller, Marcella; Ast, Alexander; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Das Toolkit für Augmented Reality (bestehend aus den Applikationen CYCLP und ARtemis) unterstützt Lehrende und Studierende dabei, digitalisierte Objekte in eine AR-Umgebung niedrigschwellig zu integrieren, um exploratives Lernen anzuregen und interaktive sowie immersive Lernerfahrungen zu ermöglichen. CYCLP als Photogrammetrie-Software ermöglicht auf einfache Weise durch Fotoaufnahmen Objekte zu digitalisieren, als 3D-Objekt in die ARtemis-App (kurz für: Augmented Reality Toolkit for Educational Methodology and Interactive Simulation) zu importieren und darzustellen. In Verbindung mit einem Weiterbildungsangebot rund um Augmented Reality und das Toolkit bilden sie für Einsteiger:innen einen ersten Schritt zum Einsatz von Augmented Reality in der universitären Lehre. Die genannten Komponenten stellen zusammen ein Ökosystem dar, welches um den Reality Composer von Apple aufgebaut wurde.
Automatische Generierung von Aufgaben für die konzeptuelle Modellierung
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Christ, Paul; Haake, Jörg; Munkelt, Torsten; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Die konzeptuelle Modellierung ist eine wichtige Kompetenz für verschiedene Disziplinen. Das Erlangen dieser Kompetenz erfordert Übung und die Auseinandersetzung mit Aufgaben, die verschiedene kognitive Prozessdimensionen adressieren. Viele solcher Aufgaben sind nötig, um eine große Anzahl an Lernenden mit unterschiedlichen Anforderungen zu bedienen. Der Bedarf einer großen Menge an diversen Aufgaben kann nicht manuell gedeckt werden. Derzeitigen automatischen Methoden, wie der Automatic Item Generation (AIG), mangelt es entweder an Skalierbarkeit oder der Möglichkeit, höhere kognitive Prozessdimensionen zu adressieren. Um diesen Mängeln entgegenzuwirken, wird ein generalisierter AIG-Prozess (gAIG) vorgeschlagen. Schritt 1 dieses Prozesses umfasst die Erzeugung einer Item-Spezifikation, welche eine Schablone für einen Aufgabentyp darstellt, und aus Templates einer Aufgabenbeschreibung, einem Input für Lernende, einer erwarteten Ausgabe (Lösungsvorschlag) und einem Antwort-Format besteht. Schritt 2 dieses Prozesses nimmt die Spezifikation eines parametrisierbaren Generators vor, welcher zur Item-Spezifikation passende Items erzeugt. Eine Fallstudie zeigt die Anwendung der gAIG zur Generierung von Aufgaben zur konzeptuellen Modellierung, welche die kognitiven Prozessdimensionen Anwenden und Analysieren adressiert, was bisherige Methoden nicht skalierbar vermögen.
Beyond Realism: Rethinking Presence in Virtual Environments for Abstract Concept Learning
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Baberowski, David; Leonhardt, Thiemo; Lilienthal, Lanea; Bergner, Nadine; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Presence, as the feeling of actually being in a virtual place, is an important metric for VR learning applications due to its positive impact on learning. In the literature, the level of immersion a system can provide is assumed to be the main factor influencing presence. This paper investigates this assumption for virtual environments in abstract learning contexts that are not based on reality. This is done by building a physical replica of a VR learning game and comparing both in terms of learning outcomes and presence. The study shows that subjects do not have a consistent view of what can be described as real in abstract contexts, suggesting that the distinction between reality-based virtual environments and those in abstract contexts is important in terms of presence.
BuddyAnalytics: A dashboard and reporting tool for study program analysis and student cohort monitoring
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Görzen, Sergej; Röpke, René; Schroeder, Ulrik; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
With students leaving digital traces in Campus Management Systems when registering and completing courses and exams, there is a growing interest in data-driven study program analysis and student cohort monitoring. To support study program designers with tasks, such as planning courses and exams, creating (re-)accreditation reports, and improving curricula and study plans, insights into the students’ behavior throughout their studies present valuable input and may allow for evidence-based curriculum development. This demo presents BuddyAnalytics, a web-based tool providing dashboards and analysis reports for study program analysis and cohort monitoring. It enables study program designers to review various metrics and indicators relevant to understanding students’ behavior and potential issues of study programs. Developed using user-centered design methodology, the tool is closely tailored to users’ needs and requirements. Future evaluation with the target group will assess its suitability and provide valuable feedback for improving the tool over time.
Challenges of Computer Science Tutors in Their Teaching: How can Educational Technology help?
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Egetenmeier, Armin; Strickroth, Sven; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Tutorial sessions led by student tutors are an essential part of teaching in large classes, e. g. in Computer Science (CS), to provide personal support and to guide learning. Although universities offer training and educators conduct regular meetings to assist tutors, the use of technology in their teaching practice is mostly unknown. This paper presents exploratory insights from focus group interviews with CS tutors to reveal tutors’ challenges, needs and current usage of educational technology in their teaching. The results show a lack of use of technology by tutors to improve their teaching or to gather useful information about their group in a structured way. The potential of educational technology to enhance tutorial sessions remains largely untapped. Possible technology-driven approaches and ideas proposed by tutors are discussed. Based on these initial results, the goal is to develop tailored technology-enhanced support and provide relevant information to tutors in the future.
ChatGPT erzähl mir eine Geschichte: Die Verwandlung von Lernwelten durch KI-gestützte Erzählungen
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Finster, Rebecca; Grogorick, Linda; Robra-Bissantz, Susanne; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Geschichten, gut erzählt, schaffen Neugierde, Aufmerksamkeit und Interesse. Im Bildungs- bereich ist Storytelling bereits seit vielen Jahren ein beliebtes Mittel, um Wissen weiterzugeben. Dabei können Geschichten manuell oder automatisiert entwickelt werden. Das automatisierte Storytelling hat sich insbesondere durch die Weiterentwicklung von Large Language Models sowie dem damit einhergehenden Aufkommen von ChatGPT gewandelt. In diesem Beitrag wird nach dem Action Design Research Ansatz eine Instanziierung von automatisiertem Storytelling in der begleitenden Übung einer Grundlagenvorlesung durchgeführt, um die transformativen Potenziale beim Lernen zu untersuchen. Ziel ist es zu verstehen, wie praxisnahe Erzählungen das Verständnis und die Motivation der Studierenden fördern können. Ergebnisse der Studie zeigen, dass sorgfältig auf die Lerninhalte abgestimmte, automatisiert generierte Erzählungen nicht nur das Verständnis erleichtern, sondern auch als effizientes Werkzeug zur Entwicklung von Lernmaterialien dienen können, sofern eine sorgfältige Qualitätskontrolle der Inhalte sichergestellt ist.
Correlation of Error Metrics in Python CS1 Courses
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Brocker, Annabell; Schroeder, Ulrik; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Timely and effective feedback is essential for novice programmers. Despite significant advancements in Large Language Models enabling the generation of understandable feedback in CS1 courses, determining appropriate timing for delivering feedback automatically remains a persistent challenge. Compiler messages serve as a fundamental communication channel between programmers and computers, signaling syntactic and runtime errors. Various metrics associated with these messages could potentially signify the need for intervention. Hence, it is imperative to explore the correlations among these error metrics. This study conducts a comprehensive analysis of multiple public Python datasets to evaluate error metrics and explore their correlations. The findings offer insights into a potential indicator for determining appropriate timing of feedback in programming education.
DELFI 2024 - Complete Volume
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Design und Implementierung einer interaktiven Lernumgebung im Bereich der IT-Sicherheit
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Zohner, Michael; Brettschneider, Philipp; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
IT-Sicherheit ist ein ständiger Begleiter von sich verbreitenden und innovativen IT-Systemen. Eine große Herausforderung der IT-Sicherheit besteht darin, dass jede Technologie unterschiedliche Schwachstellen birgt, deren Zusammenspiel zum Entwicklungszeitpunkt eines IT-Systems schwierig vorhersagbar ist. Die Kompetenz,unbekannte Schwachstellen in Technologien zu identifizieren nimmt somit einen zentralen Stellenwert ein, kann aber mit einem inhaltszentrierten Frontalunterricht, bei dem der Fokus auf der Funktionsweise von Sicherheitsmechanismen liegt, nicht aufgebaut werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es eine Lernumgebung zu entwickeln, die es Studierenden in einem Bachelor- Studium der Informatik im Rahmen einer Lehrveranstaltung IT-Sicherheit ermöglicht, die Kompetenz zur Erkennung von Schwachstellen aufzubauen. Dazu wird die Lernumgebung so konzipiert und umgesetzt, dass die Studierenden auf Basis eines kompetenzbasierten Ansatzes Schwachstellen in Technologien, die sie aus ihrem Studium kennen, identifizieren und ausnutzen sollen. Die Erreichung der so zu erlangenden Erkenntnisse wird im Rahmen der Lehrveranstaltung mittels einer Reflexion der teilnehmenden Studierenden evaluiert.
Design, Realisierung und Evaluation von Scaffolds zur Unterstützung von Lernprozessen im Hochschulkontext
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Reinartz, Lea; Schneeweiß, Sarah; Harrer, Andreas; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Die Beherrschung systematischer Vorgehensmodelle gehört in zahlreichen wissenschaftlichen Dis- ziplinen zu deren wesentlichen Methodenkompetenzen. Unerfahrene Studierende haben bei der eigenständigen Anwendung häufig Probleme. Zu diesem Zweck entwickeln wir im Forschungsprojekt IPPOLIS einen Unterstützungsansatz, der die Ideen des Scaffoldings, im Sinne eines Stützgerüsts, mit adaptivem Feedback kombiniert. Dieser Ansatz wurde in einer ersten Feldstudie im Rahmen einer Softwaretechnik-Veranstaltung für die systematische Modellierung von Diagrammen in der Unified Modeling Language (UML) praktisch erprobt und evaluiert. Dabei haben wir wertvolle Erkenntnisse erhalten, wie hilfreich das Scaffolding-Feedback wahrgenommen wird. Erweiterungen in den Bereichen der Feedbackgestaltung und Aktionsanalyse mit Methoden künstlicher Intelligenz (KI) werden für weitere Studien skizziert.
easyProtocol: Ein digitales Unterstützungstool für mündliche Prüfungen
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Jebing, Zoe; Egetenmeier, Armin; Strickroth, Sven; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Protokolle stellen eine notwendige Dokumentation für spezielle Prüfungsformate wie mündlichen Prüfungen dar. Das Protokoll erfüllt dabei primär die rechtlichen Anforderungen eines Nachweises des korrekten Ablaufs, wobei dessen Inhalte oft nicht weiter genutzt werden. In diesem Demo-Beitrag wird ein Prototyp eines Unterstützungstools für mündliche Prüfungen vorgestellt. Das Tool unterstützt zum einen den Protokollführenden, den Prüfungsablauf strukturiert zu dokumentieren und ein rechtskonformes Protokoll zu erstellen. Zum anderen werden die eingegebenen Daten aber auch analysiert, um z. B. die Bewertung der Prüfung durch eine übersichtliche Zusammenfassung zu unterstützen. Dadurch sollen u. a. die Prüfungsbewertungen transparenter und vergleichbarer werden.
Enhanced Program Comprehension: Individualized Learning of Code Tracing with the Feedback Buddy
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Koch, Nadine Nicole; Kapfenstein, Ann-Kathrin; Meißner, Niklas; Wirzberger, Maria; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
The increasing importance of programming skills for various professions highlights the necessity of laying solid foundations for these skills in school. One critical step when learning programming is code tracing, i.e., the ability to analyze program code to predict the data changes when the code is executed. Considering the diverse levels of prior knowledge in computer science classes, it is essential to implement tailored teaching approaches, which can enhance the respective learning outcomes. To create personalized learning paths, we developed the tutoring system Feedback Buddy that teaches if-else branches, for loops, and combinations of them using tracing tables. Thereby, the Feedback Buddy adapts its feedback and task difficulty based on learners’ affective, cognitive, and metacognitive states. Extending former systems, our approach focuses on school education and uses 𝑡h growth mindset feedback. Evaluation with 10 positive results, affirming the usability and usefullness of the Feedback Buddy in secondary school education.
Enhancing Geographical Learning Through GeoVR: Immersive Exploration and Topographic Analysis Educational Application
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Sabah, Sam; Tillmann, Alexander; Weiß, David; Drachsler, Hendrik; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
GeoVR, a Virtual Reality immersive educational application, facilitates pedagogical approaches in geographical education, enabling students and educators to explore and analyze landscape features. This research examines the benefits of this educational environment, enabling students to seamlessly transition between macro and micro perspectives of terrain, facilitating a comprehensive understanding of surface structures. GeoVR aims to improve learning experiences, while simultaneously enhancing the user’s understanding of topographical features and spatial relationships through scalable observation and interactive analysis tools. The application notably extends the scope of actions available to learners and educators in fields such as geography, geology, environmental studies, urban planning, and education. The precision of the representation, the interactive capabilities, the infinitely adjustable scales and the contribution to a realistic and immersive learning environment for geoinformation and processes can lead to a better understanding of the systems under investigation. Despite potential challenges, GeoVR seeks to bridge the gap between virtual and physical environments, changing how people learn and explore landscapes digitally.
Enhancing Parallel Programming Education with High-Performance Clusters Utilizing Performance Analysis
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Roth, Anna-Lena; James, David; Kuhn, Michael; Konert, Johannes; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
The use of high-performance clusters in parallel programming education is not trivial. Not only working on a cluster can be a challenge. Using clusters requires the development of complex parallel programs that are executed with many processes. This increases the necessity for performance analysis to determine bottlenecks, identify optimization opportunities, and evaluate scalability. For learners, performance analysis is a crucial aspect of understanding parallel programs and systems. However, due to its complexity and the prior knowledge required, learners are often overwhelmed by the analysis and interpretation of performance metrics. We conducted a usability test to identify barriers and issues of using a high-performance cluster in parallel programming education in conjunction with professional performance analysis using the tools Score-P, Scalasca, and Cube. At the same time, we tested EduMPI, a novel learning support tool that simplifies the process of executing parallel programs and automates performance analysis at runtime.
Entwicklung Medien(fach)didaktischer Kompetenzen bei Lehramtstudierenden auf Basis curricular verankerter Medienprojekte
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Aumann, Alexander; Müller, Wolfgang; Stratmann, Jörg; Weitzel, Holger; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Der vorliegende Beitrag beschreibt Ansätze, Konzepte und Prozesse im Rahmen der Integra- tion verpflichtender curricularer Elemente zur Förderung digitaler Kompetenzen im Lehramtsstudium an einer Hochschule. Das Vorhaben wurde im Rahmen eines aktiven Change Prozesses umgesetzt, bei dem alle relevanten Stakeholder einbezogen wurden. Der Artikel beschreibt den hochschuli- schen Veränderungsprozess und geht insbesondere auf Unterstützungsangebote, den entwickelten Kompetenzrahmen sowie den entstandenen Makerspace ein.
Entwicklung und Evaluation einer KI-Assistenz zur didaktisch-pädagogischen Unterstützung des Lernprozesses mit Programmieraufgaben
(Gesellschaft für Informatik e.V., 2024) Kießling, Peter; Funke, Florian; Hofmann, Sven; Schulz, Sandra; Kiesler, Natalie
Der Einsatz von Chat-Systemen mit KI-generierten Antworten nimmt in allen Lebens- bereichen kontinuierlich zu. Auch im Schulkontext wird vermehrt auf KI als Unterstützungssystem bspw. für die Erstellung von Aufgaben zurückgegriffen [Ma23]. Chatbots wie ChatGPT liefern hierbei oft vollständige Lösungen für gestellte Aufgaben. Dadurch lösen Lernende grundlegende Aufgaben mithilfe eines Werkzeugs, welches den Anspruch an die eigene kognitive Leistung der Lernenden verringert. Gleichzeitig eröffnet dies neue Lernansätze. Im Schulkontext ergeben sich jedoch zwei Probleme: Erstens steht die Generierung von vollständigen Lösungen einem produktiven Lernprozess entgegen. Zweitens verfügen die Lernenden unter Umständen über keinen eigenen Zugang zu solchen Systemen. Um diesen Problemen entgegenzuwirken, wird in diesem Beitrag die Entwicklung und Evaluierung eines eigenen Unterrichtswerkzeugs vorgestellt. Der sogenannte Programmier-Copilot beantwortet Fragen der Schülerinnen und Schüler und versucht dabei gleichzeitig ein hohes Maß an kognitiver Aktivierung zu erhalten. Im folgenden Beitrag werden die Entwicklung sowie die Erprobung der Wirksamkeit eines solchen Tools im Unterricht dargestellt.

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