Institut für Informatik und digitale Bildung

Die Professuren des Instituts für Informatik und digitale Bildung beschäftigen sich mit der innovativen Nutzung von Technologie im Bildungskontext. Während der Fokus bei der Professur Informatik und ihre Didaktik (Prof. Dr. Bernhard Standl) auf der Modellierung und empirischen Untersuchung von Lehrkonzepten als didaktische Entwurfsmuster liegt, befasst sich die Juniorprofessur Digitale Bildung (Jun. Prof. Dr. Alexander Skulmowski) mit der empirischen Erforschung der Gestaltung digitalen Lernens.

Informatik und ihre Didaktik

Die Professur Informatik und ihre Didaktik beschäftigt sich insbesondere mit der Identifikation von wirksamen Lehr-Lern-Szenarien für den Informatikunterricht aus verschiedenen Perspektiven. Durch die Integration des Lehr-Lern-Labors Informatik in das Lehramtsstudium Informatik werden forschungsgeleitet die Informatikkompetenzen bei Studierenden sowie Schüler:innen gefördert. Zudem werden methodische Vorgehensweisen im Kontext des Mixed-Methods Paradigmas weiterentwickelt.

Forschungsarbeitsgruppen

Die Professur Informatik und ihre Didaktik unterteilt sich in drei Forschungsarbeitsgruppen:

  • Lehr-Lern-Labor Informatik (LLL)
  • Educational Information Systems (EIS)
  • Technology Enhanced Learning (TEL)
Lehr-Lern-Labor Informatik

Schwerpunkte des Lehr-Lern-Labor Informatik sind forschungsbasierte innovative Informatik-Fachdidaktik und exploratives Erproben von digitalen Artefakten.

Schwerpunkte

  • Mathematische und theoretische Grundlagen der Informatik
  • Grundlagen der theoretischen und angewandten Informatik im Schnittpunkt von Informatik, Mathematik und Kunst
  • Creative Coding als Anwendungsgebiet für den Informatikunterricht
  • Nutzung von KI-Systemen beim Erlernen von Programmiergrundlagen und in der Softwareentwicklung
  • Erweiterung bereits bestehender didaktischer Konzepte und tragfähiger mentaler Modelle entsprechender Übersetzungsprozesse
  • Nutzung von KI-Systemen beim Erlernen von Programmiergrundlagen und in der Softwareentwicklung
  • Förderung algorithmischen Denkens durch blockbasierte  Programmiersprachen mittels Semantic Waves
  • Produktive Misserfolge (PS-I-Strategien) als Methode zur Förderung des algorithmischen Denkens auch im Kontext von Physical Computing
  • Entwicklung und Evaluation von Workshop-Kompetenzen zur Förderung algorithmischer Denkweisen auch unter Einbeziehung von KI-Anwendungen und in Kombination mit Physical Computing
  • Evaluation von Problemlöseprozessen mit Fokus auf Design Thinking, Computational Thinking und Entrepreneurship
  • Evaluation und Vermittlung von Problemlösekompetenzen mit Fokus auf Abstraktionsprozessen und Reduktion als Problemlösestrategie

Leitung: Frauke Ritter

Education Information Systems

Förderung des Einsatzes von Informationssystemen in der Lehrkräfteausbildung

Schwerpunkte

Die EIS-Gruppe befasst sich mit der Frage, wie der Lehr- und Lernprozess durch die Digitalisierung erleichtert werden kann. Ziel ist es, zukünftige Lehrkräfte für die Nutzung und Integration digitaler Werkzeuge in ihrem zukünftigen Arbeitsumfeld zu sensibilisieren und zu qualifizieren. Der Schwerpunkt liegt darauf, ihnen die erforderlichen Mittel, Methoden und Fähigkeiten an die Hand zu geben, um ihre Lehre effizient zu digitalisieren, eine qualitativ hochwertige Ausbildung zu bieten und den Lernprozess von Lernenden zu verbessern.

Leitung: Dr. Nico Hillah

Technology Enhanced Learning

Ermittlung und Validierung von Grundlagen in Technologie-erweiterten Lehr-Lern-Settings

Schwerpunkte

Die Forschungsarbeitsgruppe TEL untersucht die Wirksamkeit technologie-gestützter Lehr-Lern-Umgebungen. Sie erforscht die Lernbegleitung angehender Lehrkräfte mittels videobasierter Reflexion. Außerdem validiert sie Instrumente zur Erfassung und Förderung von Computational Thinking.

  • Empirical Educational Research, Learning and Instruction 
  • Grundlagenforschung Computational Thinking
  • Educational Pattern Mining
  • Videobasierte Reflexion

Leitung: Dr. Nadine Schlomske-Bodenstein

Digitale Bildung

Die Juniorprofessur Digitale Bildung untersucht das Lehren und Lernen mit digitaler Technologie primär mit experimentellen kognitionspsychologischen Methoden. Hierbei wird der Effekt unterschiedlicher Gestaltungsparameter digitaler Technologien auf kognitive, metakognitive und motivationale Variablen erforscht. Im Vordergrund steht die Frage, welche Gestaltungsgrundsätze zu optimalen Lernergebnissen führen.

Digitalität und KI

Kompetenzen zur Beurteilung, Analyse und Erstellung digitaler Lernangebote vermitteln wir allen unseren Lehramtsstudierenden bereits im Bachelorstudium. In der  einsemestrigen Einführungsveranstaltung "Digitale Bildung" stellen wir unter anderem die technischen Hintergründe und Grenzen von generativer KI wie ChatGPT sowie verschiedene Bildgeneratoren vor und diskutieren deren Risiken und Chancen. Im Masterstudium haben unsere Lehramtsstudierenden dann die Möglichkeit, diese Kenntnisse praktisch zu vertiefen. Außerdem ist KI in vielen Seminaren und Vorlesungen der unterschiedlichen Lehramtsfächer ein Thema.

Forschungsschwerpunkte

Durch die immer häufigere Verwendung von dreidimensionalen Lernumgebungen, Virtual Reality und Augmented Reality stellt sich die Frage, welchen Einfluss der visuelle Realismus auf Lernprozesse hat. Während ein höherer Detailgrad nicht immer lernförderlich sein muss, sondern auch überfordern kann, belegen Forschungsergebnisse, dass eine Vereinfachung ebenfalls nicht für jedes Lernziel den optimalen Realismusgrad darstellt. In diesem Forschungsschwerpunkt wird empirisch untersucht, wie realistische Visualisierungen kognitiv verarbeitet werden und welche Konsequenzen daraus für die visuelle Gestaltung zu ziehen sind. Hierbei werden sowohl die Gestaltung statischer Visualisierungen als auch das Design von Augmented-Reality-Umgebungen erforscht. Dies geschieht sowohl mit grundlagenorientierten Methoden als auch in anwendungsnahen Kontexten.

Aktuelle Publikationen:
Skulmowski, A. (2023). Shape distinctness and segmentation benefit learning from realistic visualizations, while dimensionality and perspective play a minor role. Computers & Education: X Reality, 2, 100015. https://doi.org/10.1016/j.cexr.2023.100015
Skulmowski, A., Nebel, S., Remmele, M., & Rey, G. D. (2022). Is a preference for realism really naive after all? A cognitive model of learning with realistic visualizations. Educational Psychology Review, 34, 649–675. https://doi.org/10.1007/s10648-021-09638-1

Beteiligte Mitarbeitende und Promovierende:
Patricia Engel-Hermann, M. A. (AQUA-d)
Marcel Alexander Niesik, M.Sc. (Stipendiat Wissensmedien)

Digitale Formen der Bildung erzeugen zumeist eine eigene Form der kognitive Belastung. Interaktive Lernumgebungen und Lernspiele erfordern z.B., dass Lernende die Bedienung und andere Informationen erlernen, die nicht unmittelbar mit dem Lernthema zu tun haben. Nach gängigen theoretischen Modellen sollte dies zu einer Beeinträchtigung des Lernens führen, jedoch belegt eine Vielzahl an Studien, dass diese zusätzliche kognitive Belastung durch digitale Umgebungen insgesamt nicht schadet. Aus den Befunden lässt sich ableiten, dass der Einsatz mehrerer Arten kognitiver Belastung dann zu rechtfertigen ist, wenn er eine hohe Passung zu einem bestimmten Lernziel aufweist. Um z.B. einen komplexen Ablauf digital zu Erlernen, muss z.B. die kognitive Belastung in Kauf genommen werden, die mit dem Erlernen der Steuerung der digitalen Umgebung zu tun hat. Diese Passung zwischen kognitiver Belastung, lernförderlichen Prozessen und Lernzielen wird im Model des Cognitive Load Alignment empirisch und theoretisch untersucht.

Aktuelle Publikationen:
Skulmowski, A. (2023). Guidelines for choosing cognitive load measures in perceptually rich environments. Mind, Brain, and Education, 17, 20–28. https://doi.org/10.1111/mbe.12342
Skulmowski, A., & Xu, K. M. (2022). Understanding cognitive load in digital and online learning: A new perspective on extraneous cognitive load. Educational Psychology Review, 34, 171–196. https://doi.org/10.1007/s10648-021-09624-7

Beteiligte Promovierende:
Theresa Dechamps, M.Sc. (Stipendiatin Wissensmedien)

Forschungsprojekte

Das Lehr-Lern-Labor Informatik ist ein Lernort für Lehramtsstudierende der Informatik und Schüler:innen der Sekundarstufe 1. Es verfolgt zwei Ziele: Die Integration von Praxiserfahrung in das Lehramtsstudium Informatik und die Förderung von Informatikkompetenzen bei Schüler:innen.

Das Lehr-Lern Labor Informatik an der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe wurde von Herbst 2019 bis Ende 2023 durch die Vector-Stiftung gefördert.

Im Rahmen der von Bund und Ländern getragenen Qualitätsoffensive Lehrerbildung entwickelt die Pädagogische Hochschule Karlsruhe im Projekt InDiKo (Nachhaltige Integration von fachdidaktischen digitalen Lehr-Lern-Konzepten an der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe) das schon jetzt für ihre Lehramtsstudierenden verpflichtende Studienmodul Medienbildung und Digitale Bildung weiter, konzipiert, erprobt und evaluiert in sieben fachspezifischen Teilprojekten innovative digitale Lehr-Lern-Konzepte und baut ihren Innovation Space weiter aus. In diesem virtuellen transdisziplinären Lehr-Lern-Bereich können sich Studierende, Lehrende und Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler austauschen. Hier werden die in den Teilprojekten entwickelten Konzepte zu didaktischen Entwurfsmustern aufbereitet. Auf diese wiederum erhalten auch andere Hochschulen sowie Studienseminare und Schulen Zugriff. Das dreieinhalbjährige Hochschulentwicklungsprojekt ermöglicht es, die digitalisierungsbezogenen Kompetenzen von Lehramtsstudierenden an der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe weiter zu stärken.

Um die Digitalisierung im Bereich des Prüfens zu fördern und zu optimieren, entwickelt die Pädagogische Hochschule Karlsruhe neue, innovative Formate, die generalisierbar sind und auch auf andere Hochschulen übertragbar. Das kürzlich gestartete Hochschulent­wicklungsprogramm „DiAs“ (Digital Assessment – Digitales, kompetenzorientiertes Prüfen an der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe) wird von der Stiftung Innovation in der Hochschullehre mit insgesamt 2 Millionen Euro gefördert und läuft bis Ende 2025.

Das Informatikstudium setzt neben Programmierkenntnissen auch Wissensbestandteile im theoretisch-konzeptionellen Bereich voraus. Die Überprüfung dieser Wissensbestandteile beinhaltet u.a. Multiple-Choice Fragen, Freitextantworten und Aufgaben, die eine Anfertigung von Skizzen und Modellen umfassen. Dieser Aufgaben-Mix konnte an der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe bislang in Prüfungssituationen nur in Form von Paper & Pencil-Klausuren realisierten werden. Denn bestehende Prüfungsordnungen und limitierte Eingabemöglichkeiten am Computer standen der Überführung dieser Aufgabentypen ins Digitale im Weg. Auf diese Weise konnten die Vorteile digitaler Prüfungen, wie z.B. automatisiertes Auswerten und Feedback, nicht genutzt werden. Für Klausuren aus theoretischer Informatik ergibt sich hierdurch die Herausforderung, einen Weg zu finden, wie diese ins Digitale überführt werden können.

Für Jugendliche ist unternehmerische IT-Bildung in den MINT-Fächern von zentraler Bedeutung, um zukünftige Herausforderungen wirkungsvoll zu gestalten und MINT-Innovationen anzustoßen. Ziel des Projektes EntreCoThink ist es, Hackathons zur Umsetzung von innovativen unternehmerischen Ideen in einer prototypischen App für die schulische Bildung zu entwickeln und an Schulen der Sekundarstufe I durchzuführen. Dazu wird eine Servicestelle für Lehrkräfte eingerichtet, die sie bei der selbständigen Durchführung von Hackathons an Schulen unterstützt. Das Kooperationsprojekt zwischen dem Institut für Ökonomie und dem Institut für Informatik und Digitale Bildung läuft von 1. Mai 2023 - 30. April 2026 und verbindet schulische IT-Bildung mit unternehmerischem Denken und Handeln.

Das Promotionskolleg „Wissensmedien“ spannt in Zusammenarbeit mit der Hochschule Karlsruhe (HKA) und Hochschule Furtwangen (HFU) einen didaktischen, medien- und kognitionspsychologischen sowie technologiegestützten Bogen vom Wissen zum Menschen und positioniert diesen in einen interdisziplinären Rahmen in den fünf „Wissens-Feldern“

  • Wissenserwerb (Kognition, Psychologie),
  • Wissensvermittlung (Pädagogik, Didaktik),
  • Wissensmedien (Information, Systeme, Technologien),
  • Wissensinteraktion (Interaktive Systeme, Medientechnologie) und
  • Wissenstechnologien (Künstliche Intelligenz).

Studium und Lehre

Der Studiengang Lehramt Sekundarstufe I mit dem Studienfach Informatik an unserer Hochschule qualifiziert zukünftige Lehrer:innen, das Schulfach Informatik auf fachlicher und didaktischer Ebene qualitativ hochwertig zu unterrichten. Die Studieninhalte verknüpfen fachwissenschaftliche Inhalte mit unterrichtspraktischem Wissen in allen Lehrveranstaltungen.

Die Digitale Bildung ist in den Lehramtsstudiengängen im Studienbereich Bildungswissenschaften verortet. Die Einführungsveranstaltung "Digitale Bildung" bei Jun. Prof. Dr. Alexander Skulmowski wird im Bachelorstudiengang absolviert. In dieser Vorlesung werden die Grundlagen der kognitiven Verarbeitung von Lernmedien, die Nutzung neuester Technologien wie Virtual Reality sowie die Transformation des Unterrichts durch Künstliche Intelligenzen vorgestellt. Hierbei werden auch die Aspekte der Ethik, des Datenschutzes und des Urheberrechts thematisiert.

Zusätzlich kann im Masterstudiengang die Veranstaltung "Digitale Bildung (Praxisvertiefung)" belegt werden. Aktuell wird dieses Seminar von mehreren Lehrenden angeboten und ermöglicht hierdurch eine individuelle Schwerpunktsetzung im Studium. Mögliche Themen hierbei sind die Erstellung von E-Books für den Unterricht mit Hilfe von KI-gestützten Bildgeneratoren sowie das Erlernen von Videoproduktionstechniken.

Im Studiengang Sport-Gesundheit-Freizeitbildung ist die Digitale Bildung für das Modul M19 verantwortlich und bietet hierfür Lehrveranstaltungen mit einem Fokus auf das Thema Videoproduktion an.

Mitarbeiter:innen

Institutsleitung

Sekretariat

Akademische Mitarbeitende Informatik und ihre Didaktik

Studentische Mitarbeitende Informatik und ihre Didaktik

 Emily Moritz
...@stud.ph-karlsruhe.de
 Norbert Varney
...@stud.ph-karlsruhe.de
 Nicole Wehrlein
...@stud.ph-karlsruhe.de

Akademische Mitarbeitende und Stipendiat:innen digitale Bildung

Letzte Änderung: 18.07.2024
Für den Inhalt verantwortlich: bernhard.standl@ph-karlsruhe.de