Software-Design und Architektur

Software-Design und Architektur sind abstrakte Konzepte, die durch aktive Modellierung und praktische Anwendung greifbar werden. Indem Schülerinnen und Schüler selbst Architekturen entwerfen und vergleichen, entwickeln sie ein tieferes Verständnis für die Konsequenzen ihrer Entscheidungen. Diese Hands-on-Erfahrungen machen die oft trockenen Prinzipien wie Modularität und lose Kopplung direkt erlebbar.

• Klasse 13
• Informatik Oberstufe: Komplexe Systeme und Theoretische Grundlagen
• 4 Aktivitäten
• 35 Min.–50 Min.

Lernziele

1. Entwerfen Sie eine modulare Softwarearchitektur für ein gegebenes Problem unter Anwendung von Entwurfsmustern.
2. Analysieren Sie die Vor- und Nachteile verschiedener Architekturmuster (z.B. Client-Server, Microservices) hinsichtlich Skalierbarkeit und Wartbarkeit.
3. Bewerten Sie die Auswirkungen von Architekturentscheidungen auf die Leistung und die Entwicklungskosten einer Software.
4. Erklären Sie die Prinzipien der losen Kopplung und hohen Kohäsion im Kontext komplexer Softwaresysteme.

Projektbasiertes Lernen

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Design-Challenge: Modulare App-Architektur

Teilen Sie ein reales Problem aus, z. B. eine E-Commerce-Plattform. Gruppen entwerfen in 20 Minuten eine modulare Architektur mit UML, wählen ein Muster und begründen Skalierbarkeit. Präsentieren Sie und lassen Sie peers abstimmen.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie die Bedeutung von Softwarearchitektur für die Skalierbarkeit und Wartbarkeit.

Moderationstipp: Während der Design-Challenge beobachten Sie, wie Gruppen ihre Module benennen und Schnittstellen definieren, um zu sehen, ob sie die Prinzipien hoher Kohäsion und loser Kopplung wirklich anwenden.

Setup: Flexible Lernumgebung mit Zugang zu Materialien und moderner Technik

Materials: Project Brief mit einer Leitfrage, Planungsvorlage und Zeitplan, Bewertungsraster (Rubric) mit Meilensteinen, Präsentationsmaterialien

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit
• Entscheidungsfähigkeit

Projektbasiertes Lernen

⏱ 50 Min.·Kleingruppen

Vergleichsstationen: Architekturmuster

Richten Sie Stationen für Client-Server, Microservices und Monolith ein. Gruppen rotieren, analysieren Vor- und Nachteile an Beispielen und erstellen Vergleichstabellen. Schließen Sie mit Plenum-Diskussion ab.

Vorbereitung & Details

Designen Sie eine modulare Softwarearchitektur für ein gegebenes Problem.

Moderationstipp: Legen Sie bei den Vergleichsstationen konkrete Kriterien für die Bewertung der Muster fest, z.B. Skalierbarkeit oder Fehleranfälligkeit, um die Diskussion zu strukturieren.

Setup: Flexible Lernumgebung mit Zugang zu Materialien und moderner Technik

Materials: Project Brief mit einer Leitfrage, Planungsvorlage und Zeitplan, Bewertungsraster (Rubric) mit Meilensteinen, Präsentationsmaterialien

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit
• Entscheidungsfähigkeit

Projektbasiertes Lernen

⏱ 35 Min.·Partnerarbeit

Peer-Review: Architektur-Kritik

Jede Gruppe entwirft eine Architektur, tauscht mit einer anderen aus und gibt Feedback zu Modularität und Wartbarkeit. Iterieren Sie basierend auf Kritik und teilen Sie finale Versionen.

Vorbereitung & Details

Analysieren Sie die Vor- und Nachteile verschiedener Architekturmuster (z.B. Client-Server, Microservices).

Moderationstipp: Beim Peer-Review achten Sie darauf, dass die Gruppen nicht nur Kritik üben, sondern auch konkrete Verbesserungsvorschläge machen, die auf den erlernten Prinzipien basieren.

Setup: Flexible Lernumgebung mit Zugang zu Materialien und moderner Technik

Materials: Project Brief mit einer Leitfrage, Planungsvorlage und Zeitplan, Bewertungsraster (Rubric) mit Meilensteinen, Präsentationsmaterialien

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit
• Entscheidungsfähigkeit

Planspiel

⏱ 40 Min.·Kleingruppen

Planspiel: Lasttest-Architektur

Nutzen Sie Tools wie Draw.io, um Architekturen zu bauen. Simulieren Sie Lastszenarien in Gruppen und passen Sie Designs an. Diskutieren Sie Anpassungen im Plenum.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie die Bedeutung von Softwarearchitektur für die Skalierbarkeit und Wartbarkeit.

Moderationstipp: Bei der Simulation des Lasttests erklären Sie vorab, wie Lastverteilung und Performance zusammenhängen, damit die Schüler die Ergebnisse sinnvoll interpretieren können.

Setup: Flexibler Raum für verschiedene Gruppenstationen

Materials: Rollenkarten mit Zielen und Ressourcen, Spielwährung oder Token, Rundenprotokoll

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Sozialbewusstsein
• Entscheidungsfähigkeit

Dieses Thema unterrichten

Erfahrene Lehrkräfte beginnen mit kleinen, überschaubaren Systemen und steigern die Komplexität schrittweise, um Überforderung zu vermeiden. Sie betonen, dass Architekturentscheidungen immer im Kontext der Anforderungen stehen und zeigen durch Praxisbeispiele aus der Industrie, wie sich Designfehler auswirken. Wichtig ist, dass die Schüler lernen, ihre Entwürfe zu verteidigen und zu hinterfragen, statt nur Lösungen zu akzeptieren. Vermeiden Sie es, fertige Lösungen vorzugeben – stattdessen fördern Sie das iterative Ausprobieren und Reflektieren.

Was Sie erwartet

Am Ende der Einheit können die Lernenden Architekturen nach klaren Kriterien wie Modularität, Skalierbarkeit und Wartbarkeit bewerten und für gegebene Probleme fundierte Design-Entscheidungen treffen. Sie erkennen Trade-offs zwischen verschiedenen Mustern und formulieren konstruktive Kritik an Entwürfen anderer. Praktische Übungen zeigen, dass Architektur nicht nur Theorie ist, sondern konkrete Auswirkungen auf die Softwareentwicklung hat.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während der Design-Challenge glauben einige, Architektur sei nur die Aufteilung des Codes in Dateien.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lenken Sie die Aufmerksamkeit auf die von den Gruppen erstellten Diagramme und Schnittstellendefinitionen. Fragen Sie konkret nach, wie Module voneinander abhängen und welche Verantwortlichkeiten sie haben. So wird der Unterschied zwischen Dateistruktur und Architekturkonzept sichtbar.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Vergleichsstationen halten einige Monolithe für die einzig sinnvolle Lösung.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Fordern Sie die Schüler auf, die Vor- und Nachteile der Muster anhand der bereitgestellten Kriterien zu bewerten. Bitten Sie sie, konkrete Beispiele für Skalierbarkeit oder Wartbarkeit zu benennen, um die Diskussion zu versachlichen.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Simulation des Lasttests glauben einige, mehr Module würden automatisch zu besserer Performance führen.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Zeigen Sie den Schülern, wie sie die Lastverteilung in ihrem Design visualisieren können. Diskutieren Sie, wie zusätzliche Module auch zusätzliche Kommunikationswege schaffen, die die Performance beeinträchtigen können.

Ideen zur Lernstandserhebung

Diskussionsfrage

Nach der Design-Challenge stellen Sie die Frage: 'Welche Architektur (Monolith, Microservices, Client-Server) hätte euer Team gewählt? Begründet eure Wahl mit mindestens zwei konkreten Vorteilen für Skalierbarkeit und zwei Herausforderungen bei der Umsetzung.'

Kurze Überprüfung

Während der Vergleichsstationen zeigen Sie ein einfaches Diagramm eines Monolithen und eines Microservice-Systems. Bitten Sie die Schüler, die Kopplung zwischen den Komponenten zu identifizieren und zu bewerten. Fragen Sie: 'Wo sehen Sie hohe Kopplung und wie könnte man sie reduzieren, um die Wartbarkeit zu verbessern?'

Gegenseitige Bewertung

Nach dem Peer-Review bewerten die Schüler die Entwürfe der anderen Gruppen anhand der Kriterien Modularität und klare Verantwortungsbereiche. Jede Gruppe gibt konstruktives Feedback in 2-3 Sätzen, das auf den erlernten Prinzipien basiert.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Gruppen auf, ihre Architektur um eine zusätzliche Anforderung zu erweitern, z.B. die Integration einer neuen Komponente wie Zahlungsabwicklung.
• Für Schüler, die Schwierigkeiten haben, vereinfachen Sie das Szenario oder bieten Sie vorgefertigte Modul-Schnittstellen an, die sie nur noch verbinden müssen.
• Bitten Sie interessierte Schüler, ein Architektur-Muster in einem realen Projekt nachzuvollziehen, z.B. ein Open-Source-Projekt, und die Design-Entscheidungen zu analysieren.

Schlüsselvokabular

Softwarearchitektur	Die grundlegende Struktur eines Softwaresystems, die seine Komponenten, ihre Beziehungen zueinander und die Prinzipien, die seine Gestaltung und Entwicklung leiten, beschreibt.
Architekturmuster	Eine allgemeine, wiederverwendbare Lösung für ein häufig auftretendes Problem im Kontext der Softwarearchitektur, wie z.B. Client-Server oder Microservices.
Modularität	Das Designprinzip, ein System in unabhängige, austauschbare Module aufzuteilen, die jeweils eine spezifische Funktion erfüllen.
Kopplung	Ein Maß dafür, wie stark verschiedene Module oder Komponenten eines Softwaresystems voneinander abhängig sind.
Kohäsion	Ein Maß dafür, wie eng die Elemente innerhalb eines einzelnen Moduls oder einer Komponente miteinander verbunden sind und auf ein gemeinsames Ziel ausgerichtet sind.