Einleitung

An bayerischen Gymnasien spielt in der Informatik der neunten Jahrgangsstufe und im Profilfach Angewandte Informatik die funktionale Betrachtung von Rechensystemen eine zentrale Rolle. Dabei kommen Datenflussdiagramme, mit denen die Schüler Berechnungen beschreiben, zum Einsatz. Diese Modellierungsform ist sehr wichtig, da die direkte Implementierung von Programmen als Terme unübersichtlich und für die Jugendlichen oftmals nicht nachvollziehbar ist. Insbesondere die Fehlersuche ist bei komplexeren Termen auch bei fortgeschrittenen Informatikkenntnissen eine Herausforderung.

Im Unterricht verwenden die Schüler Tabellenkalkulationssysteme wie MS Excel oder Calc (Open Office) um die Funktionen zu implementieren und zu testen. Die Vorarbeit in Form von Modellierung von Datenflussdiagrammen geschieht meist mit Papier und Bleistift. Nachteilig wirkt sich aus, dass für die Schüler nicht von vornherein absehbar ist, welcher Platzbedarf für das zu erarbeitende Datenflussdiagramm besteht. Ebenso ist es nicht immer erkennbar, wie sich das Diagramm entwickelt, wodurch die Darstellung, die eigentlich eine anschauliche Hilfe sein sollte, durch zunehmende Unübersichtlichkeit den eigentlichen Sinn verfehlen kann. Fehler sind auf dem Papier schwer rückgängig zu machen und Radierarbeit beziehungsweise ein Neubeginn der Zeichnung erzeugt bei den Schülern Frustration. Dies kann im schlimmsten Fall dazu führen, dass sie den Term lieber gleich im Tabellenkalkulationsprogramm eingeben und die Modellierung nicht als Hilfe sondern als Erschwernis empfinden. Ist das Datenflussdiagramm auf einem Blatt, können die Schüler durch Beschriftung der Datenflüsse mit Werte für Eingaben das System zwar durchspielen, erkennen aber Fehler nur bedingt. Insbesondere Fehlvorstellungen von der Arbeitsweise vordefinierter Funktionen sind in diesem Zusammenhang problematisch.

Da den Heranwachsenden im Informatikunterricht der Computer als Werkzeug zur Verfügung steht, ist es naheliegend, dass dieser bereits für die Modellierung der Datenflussdiagramme eingesetzt werden könnte. Computeranwendungen müssen im schulischen Betrieb aber besondere Anforderungen erfüllen, womit bereits existierende Lösungen, die für die Wirtschaft und Industrie entwickelt wurden, ungünstig erscheinen. Wichtige Aspekte sind:

  • Leichte und intuitive Bedienbarkeit des Programms.
  • Geringe Einarbeitungszeit.
  • Der Leistungsumfang ist im Wesentlichen auf die Punkte beschränkt, die im Lehrplan verankert sind. Zusätzliche Funktionalitäten sind kontraproduktiv, da sie die Schüler ablenken.
  • Die verwendeten Begriffe müssen mit der Terminologie der Schulbücher zusammen passen.
  • Das Programm darf nichts kosten.

Da das Angebot an Programmen, die sich mit diesem Thema beschäftigen, sich aktuell in Grenzen hält und diese auch nicht alle eben beschriebenen Anforderungen erfüllen, wurde Orinoco entwickelt.

Mit Orinoco lassen sich Datenflussdiagramme, bestehend aus Eingaben, Konstanten, Funktionen, Datenverteiler und Ausgaben schnell und übersichtlich zeichnen. Vordefinierte Funktionen entsprechen denen aus Aufgaben von Schulbüchern bzw. der ISB Handreichung. Selbst definierte Funktionen können miteinander kombiniert werden, was sogar die Entwicklung rekursiver Berechnungsvorschriften erlaubt. Das ist ein besonderer Aspekt, da der Lehrplan der angewandten Informatik in der Oberstufe rekursive Funktionen vorsieht, die Implementierung selber jedoch offen lässt. Dies ist insofern eine Herausforderung, da Tabellenkalkulationssysteme rekursive Definitionen nicht zulassen. Gleichzeitig ist die Einarbeitung in eine echte funktionale Programmiersprache, wie beispielsweise Scheme nicht erstrebenswert. Orinoco bietet somit eine Möglichkeit an, diesen Punkt des Lehrplans elegant zu behandeln, ohne auf andere Entwicklungssysteme umsteigen zu müssen.

Die mit Orinoco modellierten Funktionen können durch das System auch ausgewertet werden. Dazu werden vom Benutzer die Eingaben abgefragt und daraus dann die Ausgaben errechnet. Die Werte, die über die Datenflüsse weitergegeben werden, können angezeigt werden. Das ist besonders hilfreich, wenn es um die Fehlersuche geht. Eine weitere Funktionalität ist die automatische Umwandlung von Diagrammen in Terme.