Was im Gehirn von Entwicklern vorgeht, wenn der Programmcode verwirrend ist

0:000:00

Shes a genius programmer. Cropped shot of a young computer programmer looking through data
Bild: ©Cecilie Skjold Wackerhausen/peopleimages.com/stock.adobe.com

Wie Softwareentwickler reagieren, wenn sie auf Programmcode stoßen, den sie nicht intuitiv verstehen, haben Neuropsychologen der Universität des Saarlandes und der TU Chemnitz untersucht. Dazu haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Hirnströme von Entwicklern gemeinsam mit deren Augenbewegungen erfasst. Die Ergebnisse zeigen Parallelen zu Mustern aus der Sprachverarbeitung.

„Software prägt unseren Alltag. Ist sie fehlerhaft, kann das fatale Folgen haben. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass Programmierer ihren Code verstehen und keine Fehler übersehen oder neu einbauen, wenn sie weitere Funktionen ergänzen“, sagt Sven Apel, Informatik-Professor der Universität des Saarlandes. Für eine Studie hat er vor drei Jahren Axel Mecklinger, Professor für experimentelle Neuropsychologie der Saar-Universität, mit ins Boot genommen. Gemeinsam haben sie dafür die Elektroenzephalografie (EEG) mit der Überwachung der Augenbewegungen kombiniert, im Fachjargon spricht man von fixationskorrelierten Potenzialen (FRP). „Der Vorteil dieser Methode ist, dass man die Hirnströme zeitlich genau in dem Moment erfassen kann, in dem die Augen aufhören, sich zu bewegen und sich auf ein bestimmtes Ziel fokussieren“, erklärt Axel Mecklinger.

Wie reagieren Entwickler?

Das Forscherteam wollte damit herausfinden, wie Softwareentwickler reagieren, wenn sie verwirrende Codeschnipsel, sogenannte ‚Atoms of Confusion‘, sehen. Diese kleinsten Einheiten kommen häufiger im Quellcode vor. Sie sind für den Computer eindeutig auszuführen, erschließen sich dem Programmierer aber nicht intuitiv, sodass es passieren kann, dass dieser die Funktionsweise des Programms falsch versteht. Anna-Maria Maurer, Informatik-Doktorandin bei Professor Apel, hat für die Studie diese Art von verwirrendem Code in ihre Versuchsanordnung aufgenommen. Als Versuchspersonen dienten 24 Programmierer, deren Hirnströme und Augenbewegungen in rund 1.700 Durchgängen gemessen wurden.

Für die Auswertung griff das Forscherteam auf Methoden und Erfahrungen aus der Psycholinguistik zurück, die sie jedoch nicht ohne Weiteres auf die Softwareprogrammierung übertragen konnten. Aus früheren Studien war ihnen zwar bekannt, dass die Programmiertätigkeit ähnliche Hirnregionen aktiviert wie die natürliche Sprache. Die Forschenden verweisen jedoch darauf, dass das Vorgehen eines Programmierers anders ist als beim Sprachverstehen. „Wenn wir wissen möchten, wie das Gehirn bestimmte Gesprächssituationen verarbeitet, lassen wir die Versuchspersonen kurze Textabschnitte lesen und gleichen dies mit dem EEG und Eyetracking ab. Ein Programmierer erfasst beim Codelesen jedoch größere Zusammenhänge, er liest mehrere Codezeilen quer und nimmt komplexere Strukturen als eine Einheit wahr“, erklärt Computerlinguistik-Professorin Vera Demberg, die mit ihrem Team an der Auswertung der Daten beteiligt war. Das Team musste somit die Versuchsanordnung anpassen: In drei Themenblöcken mit 24 Einzelversuchen wurde ein Codeschnipsel präsentiert und EEG und Augendaten auf die Millisekunde genau synchronisiert.

Ähnlichkeiten zu sprachwissenschaftlichen Untersuchungen

Beim Vergleich der EEG-Signale aus früheren Sprachstudien mit den aktuellen Ergebnissen aus der Softwareprogrammierung stellte das Team EEG-Signale fest, die in der Neuropsychologie als späte frontale Positivität bezeichnet werden. Für die Forschenden war dies ein überraschendes Ergebnis: „Wenn die Programmierer auf die verwirrenden Codeschnipsel stießen, zeigten sie ähnliche Hirnaktivitäten wie bei Probanden aus der Sprachwissenschaft, die Sätze mit unerwarteten Wendungen lesen. Das Gehirn passt sich dann blitzschnell an und gleicht die Informationen mit dem Langzeitgedächtnis ab, um die ungewöhnliche Situation einordnen zu können“, erklärt Vera Demberg. Als Beispiel für die unerwartete Wendung eines Gesprächs nennt Axel Mecklinger den Satz: „Theo will Holz hacken, er holt sich eine Jacke“. Zwar erscheint ‚Jacke‘ plausibel, kommt aber in dem Kontext überraschend, da man eher das Wort ‚Axt‘ erwartet hätte. „In solchen Situationen generieren Wörter wie Jacke in unseren EEG-Experimenten zur Sprachverarbeitung eine späte frontale Positivität, die dem EEG-Signal auf die verwirrenden Codeschnipsel sehr stark ähnelt“, sagt Neuropsychologe Mecklinger.

„70 bis 80 Prozent ihrer Zeit verwenden Programmierer darauf, Programmcode zu verstehen. Hierfür ist es wichtig, dass wir nachvollziehen können, wie ihre Denkprozesse ablaufen. Das hilft dabei, bessere Werkzeuge zu entwickeln, um Fallstricke von vornherein auszuschließen oder einfacher zu erkennen. Auch die Schulung von Softwareentwicklern kann auf diesen Erkenntnissen aufbauen“, sagt Apel. Er will in weiteren Studien herausfinden, ob Programmierer andere Hirnaktivitäten zeigen, wenn der verwirrende Code tatsächlich fehlerhaft ist oder wenn Codezeilen gezeigt werden, die kein spontanes Umdenken erfordern.

Ihre Studie hat das interdisziplinäre Team nun im Fachmagazin ‚Scientific Reports‘ publiziert. Mitgewirkt haben Annabelle Bergum, Anna-Maria Maurer, Norman Peitek, Regine Bader, Axel Mecklinger, Janet Siegmund, Vera Demberg und Sven Apel. Bis auf Janet Siegmund von der Technischen Universität Chemnitz forschen alle Beteiligten an der Universität des Saarlandes.

Hier gelangen Sie zur Publikation: doi.org



  • Servicequalität der ERP-Anbieter in der Kritik

    Servicequalität der ERP-Anbieter in der Kritik

    Viele Unternehmen steuern mit ERP-Systemen ihre wichtigsten Geschäftsprozesse.

    mehr lesen: Servicequalität der ERP-Anbieter in der Kritik

  • Eclipse Foundation gründet Open Regulatory Compliance Working Group

    Eclipse Foundation gründet Open Regulatory Compliance Working Group

    Die Eclipse Foundation, eine der weltweit größten Open-Source-Foundations, hat die Open Regulatory Compliance Working Group (ORC WG) ins Leben gerufen.

    mehr lesen: Eclipse Foundation gründet Open Regulatory Compliance Working Group

  • Deutschland mit gutem Innovationssystem aber Schwächen in digitaler Infrastruktur

    Deutschland mit gutem Innovationssystem aber Schwächen in digitaler Infrastruktur

    Angesichts des deutschen Abschneidens beim diesjährigen Global Innovation Index hat die Präsidentin des Deutschen Patent- und Markenamts (DPMA), Eva Schewior, zu mehr Dynamik bei der Sicherung der Innovationsfähigkeit in Deutschland…

    mehr lesen: Deutschland mit gutem Innovationssystem aber Schwächen in digitaler Infrastruktur

  • Peter Leibinger als neuer BDI-Präsident vorgeschlagen

    Peter Leibinger als neuer BDI-Präsident vorgeschlagen

    Nach zwei Amtszeiten als BDI-Präsident wird Siegfried Russwurm am Jahresende das Amt satzungsgemäß abgeben.

    mehr lesen: Peter Leibinger als neuer BDI-Präsident vorgeschlagen

  • Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

    Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

    Die deutsche Wirtschaft hat 28.355 neue Industrieroboter installiert – ein neues Allzeithoch: 2023 stieg der Absatz um 7 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Der operative Bestand erreichte den neuen europäischen…

    mehr lesen: Neue Höchstzahl an Industrierobotern in Deutschland

  • Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

    Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

    Arvato Systems und Advanco, ein Anbieter von Track & Trace-Systemen für die Pharma- und Life Science-Branche, bündeln ihre Expertise und starten eine Partnerschaft.

    mehr lesen: Arvato Systems und Advanco starten Partnerschaft

  • Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

    Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

    Im September 2024 hat der SAP-Gold-Partner und Cloudspezialist Innovabee seine Geschäftsführung um Saskia Fontanive und Christian Schweizer erweitert.

    mehr lesen: Saskia Fontanive und Christian Schweizer werden COOs

  • Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

    Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

    Siemens plant, sein eMobility-Geschäft auszugliedern. Im Jahr 2018 bündelte das Unternehmen seine Ladeaktivitäten für Elektrofahrzeuge und überführte diese 2022 in eine eigene Geschäftseinheit.

    mehr lesen: Siemens gliedert eMobility-Geschäft aus

  • Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

    Cybersicherheitsforschende stehen mitunter gefühlt mit einem Bein im Gefängnis – es herrscht viel Unsicherheit darüber, was rechtlich im Rahmen von Wissenschaft erlaubt ist und was nicht.

    mehr lesen: Rechtliche Orientierung für Cybersicherheitsforschende

  • DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

    Das Taiwan AI Center of Excellence (AICoE) und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) haben eine Absprache zur wissenschaftlichen Zusammenarbeit geschlossen.

    mehr lesen: DFKI und Taiwan AICoE vereinbaren KI-Zusammenarbeit

  • Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

    Der Auftragsbestand in der Industrie ist nach vorläufigen Angaben des Statistischen Bundesamtes (Destatis) im Juli 2024 gegenüber Juni 2024 saison- und kalenderbereinigt um 1 Prozent gestiegen.

    mehr lesen: Auftragsbestand der Industrie wächst um 1 Prozent

  • Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller

    Die Weidmüller-Gruppe gibt zum 1. Oktober 2024 Veränderungen in der ersten Führungsebene bekannt: Dr. Sebastian Durst, bisher Vorstand Operations, übernimmt die neu geschaffene Position des Chief Executive Officer (CEO).

    mehr lesen: Sebastian Durst wird CEO bei Weidmüller