VU Grundlagen der Programmierung

Nähere Beschreibung des Projekts

Aufbau der Lehrveranstaltung

Als zweistündige Vorlesung mit Übung ist die Lehrveranstaltung auf 24 Teilnehmer/innen begrenzt. Sie findet im wöchentlichen Rhythmus statt, wobei Anwesenheitspflicht besteht. Die Beurteilung setzte sich zusammen aus 1) Mitarbeit (15%), 2) dem Ergebnis von zwei Klausuren (zusammen 25%), 3) den 8 Hausübungen (25%), 4) einem selbst verfassten Notebook (10%) und 5) dem selbstgewählten Abschlussprojekt (25%).

Die erste Semesterhälfte dient der Erarbeitung basaler Begriffe und Konzepte wie Datentypen, Datenstrukturen, Ablaufsteuerung, Funktionen und Fehlerbehandlung. Die zweite Semesterhälfte ist fortgeschritteneren Themen gewidmet: Verwendung der Standardbibliothek und externer Bibliotheken, Grundlagen objektorientierter Programmierung und Techniken im Umgang mit Text (reguläre Ausdrücke, Natural Language Processing). Parallel dazu werden wichtige Werkzeuge und Techniken vorgestellt.

Als Programmiersprache wird Python verwendet, weil anhand dieser Sprache viele Konzepte und Paradigmen der Programmierung einfach demonstriert werden können. Die Lehrveranstaltung erhebt aber den im Titel erhobenen Anspruch, eine "Einführung ins Programmieren" zu sein und keine "Einführung in die Programmiersprache Python".

Mediendidaktisches Konzept

Im mediendidaktischen Konzept spielen diese Werkzeuge eine wichtige Rolle: 1) Die Lernplattform Moodle als zentrale Drehscheibe für Unterlagen, Kommunikation und Abwicklung der Hausübungen 2) Jupyter Notebooks als "interaktive Skripten" 3) Screencasts über die Videoplattform der Universität Graz (Unitube) und 4) Git als Versionsverwaltungsprogramm. Während der Lockdowns wurde zusätzlich die BBB-Instanz der Universität (Unimeet) als Videoplattform eingesetzt.

Ich versuche Theorie und Praxis so weit als möglich zu verschränken. Nach kurzen theoretischen Erklärungen folgt ein praktischer Teil, wo das neue Wissen sofort an praktischen Beispielen erprobt wird. Die Lehrveranstaltung folgt einem "hands on" Ansatz, wofür sich dieses Thema besonders eignet, weil beim Programmieren Erfolg oder Misserfolg unmittelbar sichtbar werden. Da sich gezeigt hat, dass die üblicherweise in solchen Einführungen verwendeten Beispiele zu mathematiklastig sind, versuche ich nach Möglichkeit Beispiele aus dem Bereich der Geisteswissenschaft zu verwenden.

Die Lehrveranstaltung gliedert sich in zwei Hälften mit unterschiedlichen didaktischen Herangehensweisen. Im ersten, auf 7 Wochen angelegten Teil werden die absolut notwendigen Grundkenntnisse erworben. Der mediendidaktische Fokus liegt hier auf Jupyter Notebooks. Ein solches Notebook kann hier als interaktives Skriptum mit eingestreuten Illustrationen, Programmcode-Blöcken und spezifischen Literaturhinweisen beschrieben werden. Die Codeblöcke (im Sinne kleiner Programme) können direkt im Skriptum ausgeführt und nach Belieben verändert werden. Studierende können so auf spielerische Weise mit den Programmcodes experimentieren. Die Notebooks können auf einfache Weise mit eigenen Notizen, Ergänzungen und Codeblöcken erweitert werden. Die Verteilung und Aktualisierung der Notebooks und Beispieldaten erfolgt mit Hilfe der Versionsverwaltungssoftware Git. Damit ist sichergestellt, dass alle Unterlagen immer aktuell sind. Gleichzeitig wird damit ein niederschwelliger Einstieg in diese Software und den Themenbereich Versionierung erreicht.

Im Vergleich zu den ursprünglich eingesetzten Handouts und Skripten haben Notebooks den Lernfortschritt merklich beschleunigt. In den letzten beiden Semestern bin ich noch einen Schritt weiter gegangen: Die ersten 14 Notebooks müssen nun im Selbststudium als Vorbereitung auf die Präsenzeinheiten durchgearbeitet werden. Im Moodlekurs ist festgelegt, welche Notebooks bis zu welchem Termin vorzubereiten sind. Dort findet sich auch zu jedem Notebook ein Link zu einem von mir erstellen Video, in dem das jeweilige Thema zusätzlich aus einer leicht verschobenen Perspektive behandelt wird. Ebenfalls auf Moodle wird ein von mir moderiertes Hilfe- und Diskussionsforum für Rückfragen angeboten.

Um die Motivation zur Beschäftigung mit den Notebooks zu erhöhen, müssen zufällig ausgewählte Studierende während der nächsten Präsenzeinheit Lösungen für die in die Notebooks eingestreuten Übungen präsentieren. Zusätzlich gibt es regelmäßig von mir beurteilte und mit Feedback versehene Hausübungen zu einzelnen Themen.

Die durch das Selbststudium erzielte Zeitersparnis während der Präsenzeinheiten wird nun darauf verwendet, ausführlicher auf die Aufgaben und Übungsbeispiele einzugehen, Verständnisprobleme zu lösen und zusätzliche Beispiele zu programmieren.

Als Anreiz zur Beschäftigung mit der Theorie gibt es zur Hälfte und am Ende des ersten Teiles eine 15-minütige "Miniklausur" mit Verständnisfragen. Zur Vorbereitung werden im Moodle-Kurs einige Quizzes als (nicht bewertete) Selbsttests angeboten. Da diese zufällig aus Fragenpools zusammengestellt werden, können Studierende die Selbsttests beliebig oft wiederholen, was auch intensiv genutzt wird.

Der zweite Teil des Semesters steht unter dem Motto "Praxis des geisteswissenschaftlichen Programmierens". Hier wird zuerst vermittelt, dass es zusätzlich zum bisher behandelten Sprachkern zahlreiche Programmbibliotheken gibt, die verwendet werden sollten. Ich stelle einige wenige Bibliotheken vor, die den Umgang mit Texten erleichtern, fokussiere aber vor allem darauf, wie und wo man solche Bibliotheken findet und welche Kriterien anwendbar sind, um eine Auswahl zu treffen.

Um dieses Wissen zu festigen, muss jede/r Teilnehmer/in ein Notebook zu einer selbst gewählten Bibliothek erstellen. Das erzeugt nicht nur eine Flipped Classroom Situtation, sondern erzwingt auch, dass die Studierenden sich aktiv mit der Suche nach und der Dokumentation von Bibliotheken beschäftigen müssen. Ein weiterer Lerneffekt besteht in der Aneignung und Anwendung der Markupsprache Markdown. Diese kommt nicht nur bei der Erstellung von Notebooks zum Einsatz, sondern ist auch die populärste Sprache im Bereich der Softwaredokumentation. Die abgegeben Notebooks werden dann jeweils von drei Mitstudierenden (peer feedback) und mir anhand eines vorgegebenen Schemas bewertet. Anschließend werden die Notebooks für alle Kursteilnehmer/innen freigegeben, damit Kolleg/en/innen sich bei Interesse in Bibliotheken einarbeiten können, die in der Lehrveranstaltung nicht behandelt werden.

Im zweiten Teil liegt der Fokus aber vor allem darauf, die zuvor an kleinen Aufgabestellungen und Codefragmenten erworbenen Grundlagen auf komplexere Problemstellungen anzuwenden. Teilnehmer/innen lernen also, wie man längere Programme plant und schreibt. Bewährt hat sich dabei folgender Ansatz: Im Plenum wird ein zu lösendes Problem vorgestellt und anschließend werden Lösungsmöglichkeiten und Herangehensweisen diskutiert. Dabei wird die Aufgabe in Teilprobleme zerlegt. Jedes Teilproblem wird dann zur Lösung an mehrere Teilnehmer/innen vergeben, die es bis zur nächsten Einheit lösen müssen. Zusätzlich zur Lösung werden auch Unittests eingefordert, die Korrektheit der Teillösung demonstrieren sollen.

In der darauf folgenden Präsenzeinheit stelle ich dann ausgewählte Lösungen vor. Da immer mehrere Studierende parallel am selben Problem gearbeitet und sich mit der Materie bereits beschäftigt haben, während andere erstmalig damit konfrontiert werden, ergibt sich hier immer ein befruchtender Austausch.

Nach dieser Diskussion gehen wir daran, die Teillösungen zu einem ganzen Programm zusammenzusetzen. Ausgehend von einer abgegebenen Lösung und mit Bezugnahme auf die Diskussion schreibe ich diese um. Dabei bin ich bemüht, laut zu denken. Dabei geht es aber nicht darum, den hingeschriebenen Programmcode zu wiederholen, sondern laufend zu kommentieren, wie und warum ich manches genau so löse, welche Alternativen es gäbe und was die Vorteile und mögliche Nachteile meiner Lösung sind. Die Studierenden sind dabei aufgefordert, mich jederzeit zu unterbrechen um Fragen und Einwände vorzubringen.

Besonders wichtig ist mir dabei, Aspekte aufzuzeigen, die primär nichts mit der korrekten Funktionsweise zu tun haben, sondern z.B. die Nachvollziehbarkeit und Wartbarkeit von Code verbessern. Dazu gehören aber auch Fragen der Wiederverwendbarkeit von Codeteilen, der Testbarkeit und letztendlich der sinnvollen Verbindung der einzelnen Teillösungen. "Schleichend" führe ich hier aber auch Techniken zur Fehlersuche und zur Überprüfung der Codequalität ein. Das ganze Szenario ist der Versuch, eine informelle Lernsituation herzustellen.

Am Semesterende müssen die Teilnehmer/innen anhand eines selbst gewählten Abschlussprojekts demonstrieren, dass sie in der Lage sind, die im zweiten Semesterteil vermittelten Techniken und Herangehensweisen praktisch anzuwenden. Dazu fordere ich als ersten Schritt 3 Wochen vor Semesterende ein schriftliches Konzept zum Projekt ein. Damit zwinge ich die Teilnehmer/innen, ausführlich über das Projekt nachzudenken, eher sie mit der Programmierung beginnen. Ich gebe schriftliches Feedback, bei schwierigen Fällen suche ich das direkte Gespräch. Sobald meine Freigabe kommt, können die Studierenden mit der Arbeit am Abschlussprojekt beginnen. Dieses muss spätestens zwei Monate nach Semesterende abgegeben werden.

Dass meine Bemühungen vielfach auf fruchtbaren Boden fallen, zeigen ausgezeichnete Abschlussprojekte, wie z.B. die Extraktion von Personennamen aus Untertiteln fremdsprachiger Filme; ein Programm zur Berechnung von Euklidischen Distanzen aus TPS-Landmarks; die Extraktion und Transformation von Musikdaten nach RDF (Semantic Web); Einsammeln und Analyse von Daten aus sozialen Netzwerken oder ein Programm, das passend zum aktuellen Datum zufällig eine historische Zeitungsausgabe aus dem ANNO-Portal der Nationalbibliothek wählt und einen Tweet dazu verfasst.

Nachhaltigkeit

Die Lehrveranstaltung läuft seit 2017, wird aber für jedes Semester adaptiert. Ich sehe die Lehrveranstaltung als Work in Progress, wo ich laufend sich aus den Erfahrungen des letzten Semesters ergebende Anpassungen vornehme und immer wieder neue Ideen ausprobiere, um den Lerneffekt zu optimieren.

Der Einsatz von Jupyter Notebooks hat sich sehr gut bewährt. Alle Notebooks mit den benötigten Beispieldaten stehen unter einer Creative-Commons Lizenz auf Github zur Verfügung und können von anderen Lehrenden in der eigenen Lehre verwendet werden; bei Bedarf auch in einer abgewandelten Form.

Der stark praktisch ausgerichtete Ansatz mit der engen Verknüpfung von Theorie und Praxis hat sich ebenfalls bewährt. Ab 2020 habe ich zusammen mit meinem Kollegen Christopher Pollin das Konzept weitgehend auf die Lehrveranstaltung "Informationsmodellierung vertieft" übertragen, wo es vor allem im Bereich der Datenmodellierung und der Abfragesprachen zum Einsatz kommt. Seit letztes Jahr setze ich die Grundideen der Lehrveranstaltung gemeinsam mit Fabio Tosques in der Lehrveranstaltung "Programmieren vertieft" fort.