Daniela Novac

Die fortschreitende Digitalisierung verändert neben dem Arbeitsmarkt auch die Bildungslandschaft. Mit Mitteln aus dem DigitalPakt Schule werden u.a. im Zuge des Programms BAYERN DIGITAL II gravierende Veränderungen in der Informatikausbildung vorangetrieben, die wiederum neue Herausforderungen auf den verschiedenen Bildungsebenen mit sich ziehen. 
Das Projekt CS4MINTS begegnet eben diesen Herausforderungen entlang der Bildungskette und knüpft an bereits im Rahmen des Projekts MINTerAKTIV gestartete Maßnahmen, wie u.a. der Stärkung der Begegnung zunehmender Heterogenität der Studierenden im Zuge der Einführungsveranstaltung in die Informatik, an.

So wird im Zuge der Begabtenförderung das Frühstudium in Informatik aktiv für Mädchen beworben und das Angebot explizit erweitert. Durch frühzeitiges Vorgehen gegen genderspezifische Stereotypen bzgl. Informatik sowie eine Erweiterung des Fortbildungsangebots um gendersensitiven Informatikunterricht in allen Schularten, soll langfristig ein signifikanter Anstieg des Frauenanteils im Fach Informatik erreicht werden.

Durch die Erweiterung des Pflichtfachs Informatik in allen Schulen besteht außerdem ein großer Bedarf an geeigneten Unterrichtskonzepten und einer Stärkung der LehrerInnenbildung. Hierfür soll im Projektzeitraum ein regionales Netzwerk aufgebaut werden, um universitär erarbeitete und evaluierte Unterrichtsideen zur Stärkung von MINT im curricularen und extra-curricularen Rahmen zur Verfügung zu stellen. 

Im Jahr 2020 haben wir mit der ersten Pilotierung der Konzeption zur Automatisierung des Feedbacks im Übungsbetrieb der Einführungsveranstaltung in die Informatik begonnen. Dazu wurden die Rückgabewerte der JUnit-Tests von Abgaben analysiert und erste mögliche Fehlerquellen untersucht. Im nächsten Schritt soll eine Möglichkeit ausgearbeitet werden, wie auf Grundlage dieser Rückgabewerte auf Programmierfehler oder Fehlvorstellungen der Studierenden geschlossen werden kann. Ziel dieser Bemühungen ist es schließlich, den Studierenden ein automatisch generiertes, kompetenzorientiertes Feedback zu ermöglichen, welches ihnen nach Abgabe der Programmieraufgaben (oder ggfls. schon während der Erarbeitungsphase) zur Verfügung steht. Das Feedback soll aufzeigen an welcher Stelle Fehler im Programmcode auftraten sowie auf mögliche Ursachen hinweisen.

Im Hinblick auf eine Begegnung von Heterogenität haben wir im Jahr 2020 die Inhalte des Repetitoriums für Informatik (RIP) dem bayerischen Lehrplan verschiedener Schularten gegenübergestellt. Die Inhalte sollen anschließend so angepasst werden, dass StudienanfängerInnen unterschiedlichster Bildungszweige gleiche Chancen haben, mittels des Repetitoriums mögliche Defizite zu erkennen und diese zu beheben. Außerdem wurde im Wintersemester 2020 während der Repetitoriumswoche erstmalig eine tägliche Programmiersprechstunde eingerichtet, in der es den TeilnehmerInnen möglich war Fragen zu stellen sowie Feedback zu den Aufgaben zu erhalten.

Der Einstieg in die Programmierung stellt für viele Studierende eine der großen Hürden zu Beginn des Studiums dar. Um den Programmieranfänger:innen zusätzliches Feedback zu ermöglichen, haben wir im Jahr 2021 das Projekt Feedback+ konzipiert und pilotiert. Im Rahmen von Feedback+ haben die Studierenden die Möglichkeit, Probleme, welche während der Bearbeitung der Übungsaufgaben oder beim Einrichten/Benutzen der Programmierumgebung auftreten, zu dokumentieren und in wöchentlich buchbaren Einzelsprechstunden zusätzliches Feedback zu erhalten. Dazu wurde eine StudOn-Umgebung eingerichtet, in der Probleme systematisch dokumentiert werden können. Eine erste Evaluation in Form von Einzelinterviews mit den teilnehmenden Studierenden lieferte ein durchweg positives Feedback und einen Wunsch auf Fortsetzung des Projektes.

Die zunehmende Digitalisierung aller Wissenschafts- und Lebensbereiche hat dazu geführt, dass Kompetenzen in den Grundlagen der Informatik für Studierende aller Studiengänge der Technischen Fakultät (und darüber hinaus) als essentiell erachtet werden. Für den Studienerfolg haben sich diese, typischerweise direkt in der Studieneingangsphase verorteten, Lehrveranstaltungen allerdings für viele Studierende als problematische Hürde erwiesen, die letztlich häufig zum Studienabbruch führen kann. Aus diesem Grund widmen wir uns dem Ausbau der Unterstützung von angehenden Studierenden beim Übergang Schule-Hochschule sowie während der Studieneingangsphase.
Die Projektschwerpunkte liegen hinsichtlich der Studienorientierung in der Förderung des potenziellen MINT-Nachwuchses bereits vor Studienbeginn durch regionale und überregionale Kontakte wie z.B. Unterstützung bei W-Seminaren oder Fortbildungen von Lehrerinnen und Lehrern als Multiplikatoren für die Studienwahl. Hinsichtlich des Übergangs Schule-Hochschule steht der Ausgleich unterschiedlicher Vorkenntnisse der Studienanfänger durch Repetitorien im Vordergrund. In der Studieneingangsphase liegt der Schwerpunkt in der Senkung der Abbruchquote in MINT-Studiengängen durch spezielle Intensivierungsübungen und Tutorenschulungen unter Berücksichtigung der Heterogenität.
2018 stand unter anderem die Untersuchung der Wirksamkeit aller Maßnahmen im Fokus. Untersucht wurde der Einfluss des angestiegenen Übungsgruppenangebots und der umfangreichen Unterstützung durch die Tutorinnen und Tutoren. Außerdem war die Wirksamkeitsuntersuchung hinsichtlich des Zusammenhangs von Wahrnehmung des Übungsangebots und Abbruchquote Untersuchungsgegenstand. Weiterhin wurden die Auswirkungen der Teilnahme am Repetitorium auf die Leistungen in den Übungen und in der Klausur untersucht.
Um das Ziel der Gewinnung und Qualifizierung von Lehrerinnen und Lehrern als Multiplikatoren zu erreichen, wurde das Angebot an Lehrerfortbildungen weiter ausgebaut. In diesen Fortbildungen wurden innovative Herangehensweisen, Beispiele und Inhalte für den Unterricht mit dem Ziel aufgezeigt, dass die Teilnehmerinnen und Teilnehmer das Gelernte an ihre Schülerinnen und Schüler weitervermitteln.
Ein weiteres Teilziel war die quantitative und qualitative Verbesserung der in Informatik geschriebenen W-Seminar-Arbeiten. Dazu wurde eine 24-seitige Broschüre entwickelt und an Schulen in umliegenden Landkreisen verschickt. Mit dieser Broschüre sollen Lehrkräfte bei der Gestaltung und Durchführung von W-Seminaren in der Informatik mit Themenvorschlägen, Hinweisen und einer Checkliste für die Schülerinnen und Schüler unterstützt werden. Im Jahr 2019 endete das Projekt GIFzuMINTS mit einem besonderen Höhepunkt: Am 20.05.2019 besuchte uns der bayerische Staatsminister für Wissenschaft und Kunst, Bernd Sibler, zusammen mit dem stellvertretenden Hauptgeschäftsführer der vbw bayme vbm, Dr. Christof Prechtl, um sich über den Stand des Projekts zu informieren. Wissenschaftsminister Bernd Sibler zeigte sich beim Projektbesuch beeindruckt: "Das Konzept der FAU geht passgenau auf die Anforderungen eines Informatikstudiums ein. Die jungen Studentinnen und Studenten werden dort abgeholt, wo sie stehen. Das ist exakt unser Anliegen, das wir mit MINTerAKTIV verfolgen: Wir wollen, dass jede Studentin und jeder Student die Unterstützung bekommt, die sie bzw. er braucht, um das Studium erfolgreich abschließen zu können."Bis zum Projektende wurden die entwickelten und umgesetzten Maßnahmen gründlich evaluiert und als dauerhafte Angebote etabliert. Dabei wurde das Repetitorium Informatik in ein kontinuierliches virtuelles Angebot zum Selbststudium überführt und auf den neuesten Stand der Technik aktualisiert. Das an besonders begabte Studierende gerichtete Angebot der Vorbereitung auf die Teilnahme an internationalen Programmierwettbewerben wurde ausgeweitet und als Vertiefungsmodul eingerichtet. Damit die begonnenen Maßnahmen auch zukünftig reibungslos weitergeführt werden können, wurde bereits frühzeitig die Aufnahme in das anschließende Förderprojekt beantragt, das zukünftig als CS4MINTS auch bewilligt wurde.

Unter Software-Wasserzeichnen versteht man das Verstecken von ausgewählten Merkmalen in Programme, um sie entweder zu identifizieren oder zu authentifizieren. Das ist nützlich im Rahmen der Bekämpfung von Software-Piraterie, aber auch um die richtige Nutzung von Open-Source Projekten (wie zum Beispiel unter der GNU Lizenz stehende Projekte) zu überprüfen. Die bisherigen Ansätze gehen davon aus, dass das Wasserzeichen bei der Entwicklung des Codes hinzugefügt wird und benötigen somit das Verständnis und den Beitrag der Programmierer für den Einbettungsprozess. Ziel unseres Forschungsprojekts ist es, ein Wasserzeichen-Framework zu entwickeln, dessen Verfahren automatisiert beim Übersetzen des Programms Wasserzeichen sowohl in neu entwickelte als auch in bestehende Programme hinzufügen. Als ersten Ansatz untersuchten wir eine Wasserzeichenmethode, die auf einer symbolischen Ausführung und anschließender Funktionsynthese basiert.
Im Jahr 2018 wurden im Rahmen von zwei Bachelorarbeiten Methoden zur symbolischen Ausführung und Funktionssynthese untersucht, um zu ermitteln, welche sich für unseren Ansatz am Besten eignet. Im Jahr 2019 wurde ein Ansatz auf Basis der LLVM Compiler Infrastruktur untersucht, der mittels konkolischer Ausführung (concolic execution, eine Kombination aus  symbolischer und konkreter Ausführung) ein Wasserzeichen in einem ungenutzten Hardwareregister versteckt. Hierzu wurde der LLVM-Registerallokator dahingehend verändert, dass er ein Register für das Wasserzeichen freihält. Im Jahr 2020 wurde das inzwischen LLWM genannte Rahmenprogramm für das automatische Einfügen von Software-Wasserzeichen in Quellcode auf Basis der LLVM Compiler Infrastruktur um weitere dynamische Verfahren erweitert. Grundlage der hinzugefügten Verfahren sind, unter anderem, das Ersetzen/Verschleiern von Sprungadressen sowie Modifikationen des Aufrufgraphen. Im Jahr 2021 wurde das Rahmenprogramm LLWM um weitere angepasste, bereits in der Literatur bekannte, dynamische Verfahren sowie um das eigene Verfahren erweitert, das wir nun IR-Mark nennen Die hinzugefügten Verfahren basieren unter anderem auf der Umwandlung von bedingten Konstrukten in semantisch äquivalenten Schleifen oder auf Integrieren von Hashfunktionen, die die Funktionalität des Programms unverändert lassen, die Widerstandsfähigkeit aber erhöhen. IR-Mark wählt nun nicht nur gezielt die wenigen Funktionen aus, in denen die Registerverwendung bei der Code. Erzeugung verändert wird, sondern umfasst nun auch dynamische Aspekte um in den freigehaltenen Registern sinnvoll erscheinende Tarnwerte zu berechnen. Ein Artikel über LLWM und IR-Mark konnte publiziert werden. Im Jahr 2022 wurde das Rahmenprogramm LLWM um ein weiteres angepasstes Verfahren ergänzt. Die Methode nutzt  Ausnahmebehandlungen, um das Wasserzeichen zu tarnen. Im Jahr 2023 wurden mehr Methoden angepasst, um das LLWM-Framework zu erweitern. Hierzu zählen Techniken zum Einbetten, die auf Prinzipien der Zahlentheorie und des Aliasings beruhen.Im Jahr 2024 wurden drei neue Wasserzeichen entwickelt: Register Expansion, SemaCall und SideData.
Diese Techniken konstruieren streufunktionsartige Arithmetiken, um während der Laufzeit einen Schlüsselwert in die Wasserzeichennachricht umzurechnen.
Die ersten beiden Techniken wurden in dem Papier „Register Expansion and SemaCall: 2 Low-overhead Dynamic Watermarks Suitable for Automation in LLVM" auf dem CheckMATE'24 Workshop in Salt Lake City publiziert. Eine erweiterte Fassung des Papiers enthält auch das SideData Wasserzeichen und befindet sich im Peer-Review-Prozess für das DTRAP-Journal.

Seit 1977 wird der International Collegiate Programming Contest (ICPC) ausgetragen. Dabei sollen Teams aus je drei Studierenden ca. 13 Programmieraufgaben lösen. Als Erschwernis kommt hinzu, dass nur ein Computer pro Gruppe zur Verfügung steht. Die Aufgaben erfordern solide Kenntnisse von Algorithmen aus allen Gebieten der Informatik und Mathematik, wie z.B. Graphen, Kombinatorik, Zeichenketten, Algebra und Geometrie. Bei der Lösung kommt es darauf an, einen effizienten und richtigen Algorithmus zu finden und zu implementieren.
Der ICPC wird jedes Jahr in drei Stufen ausgetragen. Zuerst werden innerhalb der Universitäten in lokalen Ausscheidungen die maximal drei Teams bestimmt, die dann zu den regionalen Wettbewerben entsandt werden. Erlangen liegt seit dem Jahr 2009 im Einzugsbereich des Northwestern European Regional Contest (NWERC), an dem u.a. auch Teams aus Großbritannien, den Benelux-Staaten und Skandinavien teilnehmen. Die Sieger aller regionalen Wettbewerbe der Welt (und einige Zweitplatzierte) erreichen die World Finals, die im Frühjahr des jeweils darauffolgenden Jahres stattfinden.

Am 27. Januar 2024 fand erneut der Winter Contest statt. Daran beteiligten sich 108 Teams von 17 Hochschulen und Universitäten, darunter 15 Teams aus Erlangen. Unser bestes Team erreichte den 32. Platz. Am 22. Juni wurde der German Collegiate Programming Contest an verschiedenen deutschen Universitäten und Hochschulen ausgetragen, mit 15 Teams aus Erlangen. Das beste FAU-Team belegte den 22. Platz unter den 94 teilnehmenden Teams aus ganz Deutschland. Der NWERC fand am 24. November in Delft statt. Dort wurde die FAU durch ein Team vertreten, das Platz 19 von insgesamt 80 teilnehmenden Teams erreichte. Das Hauptseminar "Hallo Welt! - Programmieren für Fortgeschrittene" fand auch im Jahr 2024 wieder statt.