Inside the CPU ist ein VR Lernspiel zur Veranschaulichung der Von Neumann Architektur, die die Grundlage moderner Rechnersysteme bildet. Lernende schlüpfen in die Rolle des ausführenden Systems, indem sie Befehle aktiv durch die einzelnen Komponenten einer CPU leiten. Der zugrunde liegende informatische Inhalt umfasst die Hauptbestandteile des Von Neumann Rechners – Steuerwerk, Rechenwerk (ALU), Speicher und Bussystem – sowie deren Zusammenwirken im sogenannten Von Neumann Zyklus. Dabei wird insbesondere der Wechsel von Fetch und Execute Phasen thematisiert, der den Ablauf eines jeden Programms steuert.
Zur Veranschaulichung des abstrakten Modells wird die Metapher einer Fabrik mit Fertigungsstraße genutzt. Die Maschinen repräsentieren die CPU Komponenten: Das Steuerwerk analysiert Befehle, die ALU führt Berechnungen aus, der Speicher dient als Lagerbereich und das Förderband stellt das Bussystem dar. Durch diese Darstellung wird das sequentielle Abarbeiten von Befehlen anschaulich und intuitiv erfahrbar. Komplexe Details wie zusätzliche Register oder Busarten werden bewusst ausgeblendet, um den Fokus auf die zentralen Konzepte zu lenken.
Einbettung in den Unterricht
ITC eignet sich vor allem für die Übungs- und Vertiefungsphase. Die Lernanwendung unterstützt das praktische Erleben und Wiederholen zentraler Konzepte der Von Neumann Architektur, ersetzt jedoch keine fachliche Einführung durch die Lehrkraft. Der Einsatz ist flexibel möglich: Schülerinnen und Schüler können einzeln oder in Kleingruppen arbeiten, während andere parallel ergänzende Aufgaben bearbeiten. Je nach räumlichen Möglichkeiten lässt sich ITC stationär im Klassenraum oder in einem größeren Raum mit Bewegungsfreiheit einsetzen.
Spielablauf
Das Spiel beginnt mit einer kurzen Rahmengeschichte: Eine Spielfigur in einem Jump and Run Spiel bleibt plötzlich stehen, weil ein Berechnungsfehler aufgetreten ist. Lernende müssen nun in die CPU „reisen“, um den Rechenprozess wieder in Gang zu setzen.
In der Hauptspielszene bewegen sie sich durch eine Steampunk Fabrik, die die CPU darstellt. Mithilfe von Hebeln, Knöpfen und Schaltern steuern sie die Komponenten der Von Neumann Architektur. Jede Aktion ist einer spezifischen Funktion zugeordnet, etwa das Laden von Werten aus dem Speicher oder die Ausführung einer Addition in der ALU. Ein Tutorial Agent begleitet die Lernenden, erklärt die Aufgaben und setzt sie in den Kontext der Rahmenhandlung.
Am Ende des Spiels kehren die Lernenden in die ursprüngliche Jump and Run Szene zurück, in der die Spielfigur nun korrekt weiterläuft und der Erfolg sichtbar wird. Auf diese Weise wird das Verständnis der Arbeitsweise einer CPU direkt mit einer motivierenden Spielhandlung verknüpft.
Veröffentlichungen
- 📄 Baberowski, D., Leonhardt, T., & Bergner, N. (2024). Inside the System—Designing VR Serious Games for Computer Science Education. In P. Dondio, M. Rocha, A. Brennan, A. Schönbohm, F. De Rosa, A. Koskinen, & F. Bellotti (Hrsg.), Games and Learning Alliance (Bd. 14475, S. 311–320). Springer Nature Switzerland. <https://doi.org/10.1007/978-3-031-49065-1_30>
- 📄 Leonhardt, T., Baberowski, D., & Bergner, N. (2022). Inside the Router: An interactive VR learning application to practice routing and network address translation. Gesellschaft für Informatik e.V. <https://doi.org/10.18420/delfi2022-018>
Sourcecode
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Kurzprofil: Instructional Designer, VR-Entwickler mit dem Schwerpunkt auf Didaktik der Informatik.
Kurzprofil: Entwickler, Lern-Designer, Lernsoftware und Tools für den Unterricht.