Didaktik der Informatik

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Didaktik der Informatik

Informatikunterricht und fundamentale Ideen

Dr. Henry Herper - Wintersemester 2019/20

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Wie kann ich Lernfortschritt verhindern?

• überbordende Stofffülle

• 45 min-Takt

• enggezogene Fächergrenzen

• nur wenig praktizierte Wiederholungen

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Informatik

• Informatik ist abstrakt

• Informatik ist einem schnellen Wandel unterworfen

• Informatik beinhaltet Arbeit am Computer

Problem:

Die Fortschritte der Wissenschaft Informatik können nicht mit gleicher Geschwindigkeit für den Schulunterricht zugänglich gemacht werden.

(didaktische Reduktion)

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Informatikunterricht

Welche Inhalte und Methoden der Fachwissenschaft Informatik

gehören in den Informatikunterricht?

Ziel:

Den Schülern müssen grundlegenden Prinzipien, Denkweisen und Methoden der Informatik vermittelt

werden.

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Informatikunterricht

Wie finde ich fundamentale Ideen?

Wie vermittle ich fundamentale

Ideen?

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Informatikunterricht

Quelle:

Hartmann W., Näf M., Reichert R.:

Informatikunterricht planen und

durchführen.

Springer Verlag 2006.

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Rollen des Computers in der Ausbildung

/Hartmann, Werner, Michael Näf, Raimond Reichert; Informatikunterricht planen und durchführen;

Springer Verlag; Berlin Heidelberg; 2006/

Unterrichtsgegenstand

Werkzeug Medium

Lernsoftware

E-Learning im Alltag

im Fachunterricht Informations- und

Kommunkations- technologie im Unterricht

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Informations- und

Kommunikationstechnologie im Alltag

• dazu gehören z.B. Werkzeuge wie:

• Textverarbeitung, Tabellenkalkulation

• Grafik- und Audioprogramme,

• Internetdienste

• zur Bedienung sind keine speziellen Informatikkenntnisse (z.B.

Programmierkenntnisse) notwendig

• aber: zur effizienten Nutzung dieser Werkzeuge ist ein Verständnis grundlegender informatischer Konzepte notwendig

 effektiver Werkzeugeinsatz fordert eine fundierte informatische Bildung

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Informations- und Kommunikations- technologie im Fachunterricht

• dazu gehören z.B. :

• Computeralgebrasysteme im Mathematikunterricht,

• Software zur Molekülmodellierung im Chemieunterricht,

• Statistikprogramme im Geographieunterricht

• die Nutzung dieser Programme ist anspruchsvoller als die Benutzung der verbreiteten Anwendungsprogramme

• es ist ein fundiertes Verständnis der Grundlagen des jeweiligen Faches erforderlich

• fachspezifische Werkzeuge sind oft komplexe Systeme, die eine längere Einarbeitungszeit voraussetzen

 Schüler müssen die Ergebnisse bewerten können

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Lernsoftware

/Hartmann, Werner, Michael Näf, Raimond Reichert; Informatikunterricht planen und durchführen; Springer Verlag; Berlin Heidelberg; 2006/

• dazu gehören z.B. :

• Vokabeltrainer,

• Mathematiktrainer,

• interaktive Lernumgebungen für Simulationen

• Mensch-Maschine-Interaktion steht im Vordergrund

• Computer übernimmt die Rolle des Lehrers

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E-Learning

• dazu gehören z.B. :

• Online-Learning,

• E-Learning,

• Blendet Learning

• Lernen wird orts- und zeitunabhängig,

• ICT-Werkzeuge werden in erster Linie für die Unterstützung der

Mensch-Maschine-Interaktion genutzt

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Informations- und Kommunikations- technologie als Unterrichtsgegenstand

• früher: Computer und dessen Programmierung als Mittelpunkt des Informatikunterrichtes

• heute: Algorithmen und Programmierung sind nach wie vor ein zentraler Bestandteil des Informatikunterrichtes

• weitere Themen: Datenbanken und Netzwerke sind weitere Bestandteile des Informatikunterrichtes

• informatisches Modellieren steht im Vordergrund

• im Informatikunterricht wird mit den gleichen Werkzeugen gearbeitet wie in Firmen

„Informatikunterricht bezeichnet den Unterricht mit dem

Computer als Unterrichtsgegenstand“

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Rolle des Informatiklehrers

• Informatiklehrerinnen und –lehrer sind für eine qualitativ hochwertige Durchführung des Informatikunterrichtes ausgebildet.

• Sie sind nicht vordergründig Experten für die Auswahl und Beschaffung von Softwarewerkzeugen für den Fachunterricht.

• Informatiklehrerinnen und –lehrer sind keine Supporter für die Informatik- Schulinfrastruktur. Es sollte eine geeignete Wartungs- und

Supportinfrastruktur geschaffen werden (ggf. durch externe Vergabe).

• Informatikunterricht erfordert eine umfassende (externe) Weiterbildung durch den raschen Innovationszyklus.

• Informatiklehrer werden für schulinterne Weiterbildungen eingesetzt.

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Auswahl von Unterrichtsinhalten

Produktwissen  Konzeptwissen

„Sowohl Produktwissen als auch Konzeptwissen sind nötig, um Informatikmittel nutzbringend einsetzen zu können. Es zeichnet den Unterricht besonders aus, wenn die Lehrerinnen und Lehrer den Bezug zwischen Konzept- und

Produktwissen immer wieder herstellen können.“

Produktwissen Konzeptwissen

produktbezogen kurzlebig

auswendig lernen, wiedergeben isolierte Fakten

wenig Transfer möglich konkret

produktunabhängig langlebig

verstehen und einordnen Zusammenhänge

Transfer möglich abstrakt

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Konzept und Produktwissen

/Hartmann, Werner, Michael Näf, Raimond Reichert; Informatikunterricht planen und durchführen; Springer Verlag; Berlin Heidelberg; 2006/

Beispiel: Copy&Paste Konzeptwissen:

• Grundlegendes: Mit Hilfe von Copy&Paste lassen sich Objekte von einer Stelle an eine andere kopieren. Das Kopieren ist innerhalb einer Anwendung und häufig auch zwischen Anwendungen möglich. Die Funktionen lassen sich über

Tastenkombinationen bzw. Menüfunktionen steuern.

• Voraussetzung: Vorhergehende Selektion der Objekte

• Zwischenablage: Zwischenspeicherung der Objekte in der Zwischenablage des Betriebssystems

• Datentypen: Bei unterschiedlichen Anwendungstypen ist das Verhalten von Copy&Paste nicht immer genau vorhersagbar.

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Konzept und Produktwissen

Beispiel: Copy&Paste

Produktwissen:

•

Welche konkrete Tastenkombination bzw. Menüfunktion markiert einen Text und kopiert ihn?

• Welche Formatierungsanpassungen beinhaltet das Anwendungsprogramm?

• Wie wird mit der Zwischenablage gearbeitet?

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Konzept und Produktwissen

Zielgruppenorientiertheit

In Abhängigkeit von der Zielgruppe des Informatikunterrichtes variieren die Anteile von Produkt- und Konzeptwissen.

Im Informatikunterricht der Gymnasialen Oberstufe sollte das

Konzeptwissen überwiegen, in der beruflichen Ausbildung steht

das Produktwissen stärker im Vordergrund.

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Fundamentale Ideen

/Schubert, Schwill; Didaktik der Informatik; Spektrum Akademischer Verlag; Heidelberg 2004/

Im Jahre 1960 wurde von J.S. Bruner in „The Process of Education“ das didaktische Prinzip, wonach sich Unterricht in erster Linie an den Strukturen der zugrunde liegenden Wissenschaft orientieren soll, veröffentlicht. Im

deutschen Sprachraum hat sich für diese Strukturen die Bezeichnung

„fundamentale Ideen“ durchgesetzt.

Begründung: Lernen hat in der Schule vor allem den Sinn, die Schüler zu

präparieren, das zukünftige Leben erfolgreicher zu bewältigen. Da kontrolliertes Lernen nach Anleitung – sieht man einmal von der beruflichen Fort- und

Weiterbildung ab – mit dem letzten Schuljahr oder Semester weitgehend

abgeschlossen ist, können später eintretende Veränderungen im Privatleben, in Wirtschaft und Gesellschaft nur durch Übertragung (Transfer) früher erworbener Kenntnisse auf die neue Situation gemeistert werden.

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Fundamentale Ideen – spezifische und nichtspezifische Transferleistungen

spezifischer Transfer:

Die neue Situation ähnelt einer bereits bekannten, so dass deren

Lösungsschema nur geringfügig erweitert oder geändert werden muss, um auf die neue Situation anwendbar zu sein.

nichtspezifischer Transfer:

Der nichtspezifische Transfer bezieht sich auf langfristige Effekte. An Stelle von oder zusätzlich zu handwerklichen Fertigkeiten werden grundlegende Begriffe, Prinzipien und Denkweisen erlernt. Es werden Grundhaltungen und

Einstellungen zum Lernen selbst, zur Wissenschaft, zum Forschen, zur eigenen Leistung u.s.w. herausgebildet.

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Fundamentale Ideen - Vertikalkriterium

„Eine fundamentale Idee kann auf nahezu jeder beliebigen geistigen Ebene (also einem Primarschüler ebenso wie einem Hochschüler) erfolgreich vermittelt werden (Vertikalkriterium). Unterschiede

bestehen auf den verschiedenen Ebenen nur hinsichtlich des Niveaus sowie des Grads der Detaillierung und Formalisierung, mit dem die Idee präsentiert wird.“

 Was nicht prinzipiell auch einem Grundschüler vermittelt werden kann, kann keine fundamentale Idee sein.

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Fundamentale Ideen - Definition

„Eine fundamentale Idee bezgl. eines Gegenstandbereiches (Wissenschaft,

Teilgebietes) ist ein Denk-, Handlungs-, Beschreibungs- oder Erklärungsschema, das (1) in verschiedenen Gebieten des Bereichs vielfältig anwendbar oder erkennbar ist

(Horizontalkriterium),

(2) auf jedem intellektuellen Niveau aufgezeigt und vermittelt werden kann (Vertikalkriterium),

(3) zur Annäherung an eine gewisse idealisierte Zielstellung dient, die jedoch faktisch möglicherweise unerreichbar ist (Zielkriterium),

(4) in der historischen Entwicklung des Bereichs deutlich wahrnehmbar ist und längerfristig relevant bleibt (Zeitkriterium),

(5) einen Bezug zu Sprache und Denken des Alltags und der Lebenswelt besitzt (Sinnkriterium).“

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Fundamentale Ideen der Informatik

Wie finde ich eine fundamentale Idee?

Voraussetzung

umfassender Überblick über die Fachwissenschaft Ziel

Nachweis, dass eine Idee zu den fundamentalen Ideen gehört, nicht aber das finden einer vollständigen

Kollektion aller fundamentalen Ideen einer

Wissenschaft.

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Fundamentale Ideen der Informatik

1. Schritt: Analyse konkreter Inhalte der Informatik und Ermittlung von Beziehungen und Analogien zwischen ihren Teilgebieten (Horizontalkriterium) sowie zwischen

unterschiedlichen intellektuellen Niveaus (Vertikalkriterium).

2. Schritt: Erarbeitung der Zielvorstellungen, die sich mit den Ideen verbinden (Zielkriterium).

3. Schritt: Verbesserung und Modifikation dieser Liste durch Überprüfung, ob jede der Ideen auch eine lebensweltähnliche Bedeutung besitzt und im Alltag nachweisbar ist (Sinnkriterium).

4. Schritt: Nachzeichnen der historischen Entwicklung einer Idee.

5. Schritt: Abstimmung der Ideen untereinander und Analyse von Beziehungen zwischen ihnen.

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Wie vermittelt man fundamentale Ideen?

Ein Unterricht, der sich an fundamentalen Ideen einer Wissenschaft orientiert, sollte (nach Bruner) nach dem Spiralprinzip organisiert werden. Bei Bruner wird das Spiralprinzip wie folgt beschrieben:

"Der Anfangsunterricht ... sollte so angelegt sein, dass diese Fächer mit unbedingter intellektueller Redlichkeit gelehrt werden, aber mit dem

Nachdruck auf dem intuitiven Erfassen und Gebrauchen dieser grundlegenden Ideen. Das Curriculum sollte bei seinem Verlauf wiederholt auf diese

Grundbegriffe zurückkommen und auf ihnen aufbauen, bis der Schüler den ganzen formalen Apparat, der mit ihnen einhergeht, begriffen hat. ... Man muss noch viel über die 'Curriculum-Spirale' lernen, die auf höheren Ebenen immer wieder zu sich selbst zurückkommt."

/Bruner J. S.; The Process of Education (1960); Der Prozess der Erziehung, Berlin 1970/

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Wie vermittelt man fundamentale Ideen?

tragende Säulen des Spiralprinzips:

das Prinzip der Fortsetzbarkeit eines Themas (Zitat: "mit unbedingter intellektueller Redlichkeit")

„Die Auswahl und die Behandlung eines Themas an einer bestimmten Stelle des Curriculums soll nicht ad hoc, sondern so erfolgen, dass auf höherem Niveau ein Ausbau möglich ist. Zu vermeiden sind

vordergründige didaktische Lösungen (auch durch Vermittlung von Halbwahrheiten), die später ein Umdenken und eine teilweise

Zurücknahme von Aussagen erforderlich machen.“

/Andreas Schwill, Fundamentale Ideen der Informatik, Oldenburg /

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Wie vermittelt man fundamentale Ideen?

tragende Säulen des Spiralprinzips:

Prinzip der Präfiguration von Begriffen (Zitat: "Nachdruck auf dem intuitiven Erfassen und Gebrauchen dieser grundlegenden Ideen")

„Die symbolische Darstellung eines Begriffs oder Konzepts und seine begrifflich-strukturelle Analyse sollen bereits auf niedriger Stufe durch Bilder (ikonisch) und Handlungen (enaktiv) vorbereitet werden. Bevor also ein Begriff in allen Einzelheiten und Auswirkungen theoretisch analysiert werden kann, sollte er zunächst in Gebrauch genommen werden, damit die Schüler eine intuitive Vorstellung erhalten.“

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Wie vermittelt man fundamentale Ideen?

tragende Säulen des Spiralprinzips:

das Prinzip des vorwegnehmenden Lernens (Zitat: "wiederholt auf diese Grundbegriffe zurückkommen ..., bis der Schüler den ganzen formalen Apparat ... begriffen hat.").

„Die Behandlung eines Wissensgebietes soll nicht aufgeschoben werden, bis eine endgültig-abschließende Behandlung möglich erscheint, sondern ist

bereits auf früheren Stufen in einfacher Form einzuleiten. Beispiel: Innerhalb der Informatik benötigt man zur Verifikation von Programmen einen relativ hohen technischen Aufwand, den man in der Schule allenfalls in den letzten Klassen der Oberstufe zur Verfügung hat. Zuvor kann und sollte man jedoch schon auf einfacher Stufe Grundzüge vermitteln.“

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Vorteile des Spiralprinzips

- „Der Unterrichtsgegenstand wird fasslicher, wenn man seine Grundlagen versteht.

- Fundamentale Ideen schaffen Beziehungsnetze. Sie prägen Details, die man unzusammenhängend schnell wieder vergessen würde, eine verbindende Struktur auf. Über sie können Einzelheiten wieder rekonstruiert werden (Verdichtung von Information).

- Fundamentale Ideen unterstützen den nichtspezifischen Transfer. Durch ihre Allgemeinheit können viele Fälle als Spezialfälle behandelt werden.

- Da fundamentale Ideen den Stoff vertikal gliedern, verringern sie den Abstand zwischen elementarem und fortgeschrittenem Wissen.“

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Vorteile des Spiralprinzips

- „Ein Vorteil, der sich im Kurssystem auszahlen kann: Da die fundamentalen Ideen im Zentrum des Unterrichts stehen, kann man nahezu an jeder Stelle abbrechen, ohne die Schüler mit einem sinnlosen Fragment alleine zu

lassen.

- Während fundamentale Ideen eine längerfristige Gültigkeit besitzen (vgl.

Zeitkriterium), sind Details schnell wieder veraltet. Dies trifft vor allem auf die Informatik zu, so dass das Brunersche Konzept hier besonders

schlagkräftig erscheint.

- Es gibt bisher keine Philosophie der Informatik. Hier kann eine

Zusammenstellung von fundamentalen Ideen als Einstieg dienen und helfen, das "Wesen" von Informatik zu klären und sie gegen andere Wissenschaften abzugrenzen.“

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Fundamentale Ideen der Informatik –

„Masterideen“

Als Masterideen werden Themenkomplexe bezeichnet, die Anhaltspunkte für eine Reihe weiterer Ideen liefern.

Dazu gehören z.B.

• die Idee der Algorithmisierung,

• die Idee der Sprache und

• die Idee der strukturierten Zerlegung.

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Fundamentale Ideen der Informatik – Algorithmisierung

Algorithmisierung

Entwurfs-paradigmen Programmier-konzepte Ablauf Evaluation

Branch and Bound Divide and Conquer Greedy-Methode Backtracking

Prozess Prozessor

Korrektheit Komplexität Konkatenation

Alternative Iteration Rekursion

Nichtdeter-minismus Parallelisierung

partielle Korrektheit Terminierung

Konsistenz Vollständigkeit Fairness

Reduktion

Diagonalisierung Ordnung

unit-cost-Maß log-cost-Maß worst/average/

amortized case

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Fundamentale Ideen der Informatik – strukturierte Zerlegung

strukturierte Zerlegung

Modularisierung Hierarchisierung Orthogo- nalisierung

Top-down- Methode Bottom-up- Methode Geheimnis- prinzip

Emulation

Schachtelung Baum

Klammerung Einrückung

Darstellung Realiserung Übersetzung Interpretation operationale Erweiterung Vererbung Methoden Hilfsmittel

Lokalität von Objekten Spezifikation abstrakter Datentyp Teamarbeit

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Fundamentale Ideen der Informatik – Sprache

Sprache

Syntax Semantik

Erkennen Erzeugen

Konsistenz Vollständigkeit Transformation

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Fundamentale Ideen im Informatikunterricht

Was bringen die fundamentalen Ideen für den Informatikunterricht?

• Warum ist der Stoff wichtig?

• Weshalb müssen die Schüler ihn verstehen?

• Horizontalkriterium  Alltaganalogien

• Vertikalkriterium  einfach verständliche Erklärungen

• Hilfe zur Strukturierung der Unterrichtsunterlagen

„Das Prinzip der fundamentalen Ideen stellt ein Instrument dar, mit dem die Bedeutsamkeit eines Themas oder Sachverhaltes überprüft werden

kann.“

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Beispiel Teile und Herrsche

Teile und Herrsche (Divide and Conquer) ist eine der wichtigsten fundamentalen Ideen der Informatik.

Zuerst wird ein komplexes Problem in kleinere überschaubare Probleme

aufgeteilt. Dann werden die kleinen Probleme gelöst und anschließend die

Teillösungen zur Gesamtlösung zusammengefügt.

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Beispiel Teile und Herrsche

„Horizontalkriterium: Teile und Herrsche regiert die Welt. In der Politik hat sich die Methode seit Gaius Julius Cäsar bewährt. Wer im Alltag Arbeiten an andere delegieren will, kommt ebenfalls nicht um die Aufteilung der Arbeit in kleinere Stücke herum.

Vertikalkriterium: Teile und Herrsche erleben wir schon im Kindergarten:

Man stelle sich vor, 250 Kinder einer Gemeinde würden den Kindergarten in

einem einzigen Raum besuchen.“

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Beispiel Teile und Herrsche

„Zeitkriterium: „Divide et impera“ von Cäsar lässt grüßen.

Sinnkriterium: Wenn uns die Arbeit über den Kopf wächst, ist Teile und Herrsche angesagt.

Repräsentationskriterium: Teile und Herrsche lässt sich sehr gut

veranschaulichen. Geschicktes Vorgehen beim gemeinsamen Lösen

eines Puzzles ist eine Möglichkeit.“

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Beispiele für fundamentale Ideen

ICT-Anwender IT-Techniker Informatik-Ingenieur Computation Was ist ein Programm? Boole‘sche

Aussenlogik

Turing Maschinen Communication Synchrone und

asynchrone Kommunikation

Fehler-korrigierende Codes

Abtasttheorem von Shannon

Coordination Versionierung Workflows organisieren Gemeinsame Ressourcen Automation Filtertechniken Load Balancing Genetische

Algorithmen Recollection Index eines

Suchmaschine

Zwischen-speicher Metadaten

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Beispiele für fundamentale Ideen - Computation

Was ist ein Programm? Anwender sollten eine Vorstellung davon haben, was eigentlich ein Programm ist. Ein Programm kann definiert werden als eine

statische Spezifikation dynamischer Abläufe.

Boole‘sche Aussagenlogik Logik spielt in vielen Bereichen eine Rolle, bei Datenbankabfragen, beim Programmieren oder beim Konfigurieren von

Regelwerken für Spam-Filter oder Firewalls. IT-Techniker müssen deshalb die Grundlagen Boole‘scher Aussagenlogik kennen.

Turing Maschinen Aussagen über die Berechenbarkeit oder Komplexität beziehen sich auf ein mathematisch definiertes Modell, das die Daten und erlaubten Operationen festlegt. Turing Maschinen, rekursive Funktionen oder Lamdakalkül sind solche Berechnungsmodelle.

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Beispiele für fundamentale Ideen - Communikation

Synchrone und asynchrone Kommunikation Anwender sind heute mit einer Vielfalt von Kommunikationsmitteln konfrontiert. Die Nutzung des richtigen

Werkzeuges für den richtigen Zweck setzt ein Verständnis für grundlegende Prinzipien der Kommunikation voraus.

Fehlerkorrigierende Codes Bei der Übertragung von Daten erhält der Empfänger aufgrund von fehlerbehafteten Übertragungskanälen häufig

verfälschte Daten. IT-Techniker sollten verstehen, wie man durch Hinzufügen von Redundanz fehlerentdeckende und fehlerkorrigierende Codes definieren kann.

Abtasttheorem von Shannon Die Umwandlung von analogen in digitale Signale und umgekehrt ist zentral für viele Technologien.

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Beispiele für fundamentale Ideen - Coordination

Versionskontrolle Sobald mehrere Leute gemeinsam an einem Dokument arbeiten, ist der Einsatz eines Versions-Kontrollsystems sinnvoll. Ein

Verständnis für typische Probleme bei nebenläufigen Prozessen ist dabei hilfreich.

Workflows organisieren IT-Supporter müssen oft zeitkritische Arbeitsabläufe planen, etwa beim Austausch von Server- und Netzinfrastruktur.

Kontrollierter Zugriff auf gemeinsame Ressourcen Wo immer Synchronisationsprobleme auftreten, hat die Gesellschaft zentrale

Steuerungsmechanismen eingeführt. Bei Kommunikations-protokollen oder beim Programmieren nebenläufiger Prozesse spielen solche Mechanismen eine wichtige Rolle und gehören deshalb zum Wissen eines Informatikers.

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Beispiele für fundamentale Ideen - Automation

Filtertechniken Anwender haben bei vielen Programmen die Möglichkeit,

Filter zu definieren. Ohne Kenntnis der Grundlagen zum Definieren von Filtern erweisen sich Filterlösungen aber oft als wenig effizient oder gar

kontraproduktiv.

Load Balancing Zu den Aufgaben von IT-Supportern im Netzwerkbereich gehört auch die Beobachtung der Auslastung der einzelnen Ressourcen. Mit dem Wissen um Load Balancing oder Scheduling kann der Netzwerkspezialist die Ressourcen gezielter verwalten.

Genetische Algorithmen Die Technik lehnt sich oft an Verfahren an, welche die Natur zur fast optimalen Lösung vieler Probleme verwendet.

Computerwissenschaftler sollten einige solcher Optimierungsverfahren kennen.

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Beispiele für fundamentale Ideen - Recollection

Index einer Suchmaschine Die effiziente und effektive Nutzung von

Suchmaschinen im Internet ist nur auf den ersten Blick kinderleicht. Will man bei der Suche die Ausbeute nicht unnötig einschränken, kommt man nicht um ein Grundverständnis für die Funktionsweise einer Suchmaschine herum.

Zwischenspeicher IT-Supporter sollten Caching und Proxies als allgemeine Prinzipien verstehen und die wichtigsten Anwendungsgebiete in der

Informatik kennen.

Metadaten Das Erfassen von Daten über Daten ist ein grundlegendes

Prinzip, das man bei Betriebssystemen, Datenbanken oder Architektur großer Websites antrifft.

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Beispiel: Mobilkommunikationszentrierter Ansatz - Zielrichtungen

„

1. Das Thema Mobilkommunikation ist für die Schule aufzubereiten

Das Handy und andere mobile Kleingeräte werden bereits als

Anschauungsmittel vielfach im Informatikunterricht eingesetzt. Für diesen Themenbereich sind weitere Beispiele zu erarbeiten, die unmittelbar im Unterricht eingesetzt werden können. Das Interesse der Schülerinnen und Schüler wird aufgegriffen, und es wird – intrinsisch motiviert – der Einblick in ein aktuelles Informatikthema gegeben. Es sind Stellen zu identifizieren, an denen das Thema in die aktuellen Lehrpläne einzuordnen ist.“

/Gerrit Kalkbrenner; Neue Inhalte für den Informatikunterricht; LOG IN Heft Nr. 145 (2007)

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„2. Das Thema Mobilkommunikation ist als Einstieg für Informatikthemen zu nutzen

Mobilkommunikation vermag auch als Einstieg zu bisherigen Informatikthemen dienen. Die Mobilkommunikation mit seinen vielfältigen Realisierungen durch Informatiksysteme vermag eine intrinsisch motivierte Überleitung zu nahezu allen Themen der Informatik bieten.“

Beispiel: Mobilkommunikationszentrierter

Ansatz - Zielrichtungen

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„3. Es sind Plattformen für Projekte im Bereich Mobilkommunikation zu entwickeln

Insbesondere Projekte und die Modellierung werden oft als

Alleinstellungsmerkmale des Informatikunterrichts aufgezählt. Um

Informatikprojekte im Bereich der Mobilkommunikation durchzuführen, bedarf es geeigneter Implementierungsplattformen für Projekte Mit diesen wird es möglich, sich auf die unmittelbare Umsetzung der Projektziele zu

konzentrieren und dabei allgemein bildende Informatikthemen zu bearbeiten.“

Beispiel: Mobilkommunikationszentrierter

Ansatz - Zielrichtungen

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Schnittstellen zwischen Komponenten mobiler Informatiksysteme

„1. Horizontalkriterium (betrifft viele Anwendungen):

Aktuelle Informatiksysteme verwenden Schnittstellen, über die sie Informationen austauschen.

2. Vertikalkriterium (betrifft viele Niveaus):

Schnittstellen können auf der einen Seite sehr simpel betrachtet

werden, z.B. eine Haustürklingel. In der Mobilkommunikation spielen komplexe Übertragungsprotokolle eine entscheidende rolle und

erlauben eine komplexe Betrachtung.“

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Schnittstellen zwischen Komponenten mobiler Informatiksysteme

„3. Zielkriterium (Annäherung an ein ideelles Ziel):

Auf der Basis heterogener verteilter Systeme mit offenen Schnittstellen ist die Entwicklung der Mobilkommunikation möglich.

4. Zeitkriterium (längerfristige Gültigkeit):

Schnittstellen zwischen mobilen Systemen wird es auch in zwanzig Jahren noch geben, lediglich Übertragungsraten, Protokolle und Verschlüsselungsmechanismen werden sich voraussichtlich

unterscheiden.“

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Schnittstellen zwischen Komponenten mobiler Informatiksysteme

„5. Sinnkriterium (Entspricht dem Alltagsdenken):

Bedeutung von Schnittstellen ist durch die Themenwahl unmittelbar einzusehen.“

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Protokolle

„1. Horizontalkriterium (betrifft viele Anwendungen):

Schnittstellen erfordern Übertragungsprotokolle 2. Vertikalkriterium (betrifft viele Niveaus):

Ein einfaches Protokoll ist z.B. der Austausch einer Einladungsliste. Alle Personen, die nicht auf dieser Liste stehen, werden nicht zugelassen.

Anspruchsvollere Protokolle sind beispielsweise die Standards für WLAN zur Kollisionsvermeidung im gemeinsamen Funkraum.

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Protokolle

„3. Zielkriterium (Annäherung an ein ideelles Ziel):

Protokolle erlauben robuste, schnelle und komfortable Kommunikation.

4. Zeitkriterium (längerfristige Gültigkeit):

Übertragungsprotokolle wird es auch in der Zukunft weiterhin geben.

5. Sinnkriterium (Entspricht dem Alltagsdenken):

Die Wirkungsweise von Protokollen ist insbesondere bei Zugangskontrollen unmittelbar einsehbar.“

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Sicherheit/Verschlüsselung/ Kryptografie

„1. Horizontalkriterium (betrifft viele Anwendungen):

Jedes vernetzte Informatiksystem erfordert Konzepte und Techniken für die Gewährleistung von Sicherheit.

2. Vertikalkriterium (betrifft viele Niveaus):

Einfache Beispiele hierfür sind Türsteher, Geheimtür, Geheimsprache, Schloss, Code. Komplexe Beispiele sind RSA und andere harte

kryptographische Verfahren.“

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Sicherheit/Verschlüsselung/ Kryptografie

„3. Zielkriterium (Annäherung an ein ideelles Ziel):

Sichere Kommunikation entsprechend den Kriterien Vertraulichkeit, Unversehrtheit und Unabweisbarkeit.

4. Zeitkriterium (längerfristige Gültigkeit):

Solange es Schnittstellen und vernetzte Computer gibt, wird es auch Verschlüsslungen geben.

5. Sinnkriterium (Entspricht dem Alltagsdenken):

Die Bedeutung ist unmittelbar anhand täglicher Szenarien einsichtig.“

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Kontrollfragen

1. Charakterisieren Sie die Rolle des Computers in der Ausbildung. Unterscheiden Sie dabei Informations- und Kommunikationstechnologien im Alltag, im Fachunterricht und als Unterrichtsgegenstand.

2. Erklären Sie die Begriffe Produkt- und Konzeptwissen. Wie sollten die Formen im Informatikunterricht eingesetzt werden?

3. Erklären Sie den Begriff „Fundamentale Ideen der Informatik“. Erläutern Sie die Kriterien, die eine Fundamentale Idee ausmachen. Zeigen Sie am Beispiel der Fundamentalen Idee „Algorithmisierung“, welche Inhalte und Methoden vermittelt werden können.

4. Begründen Sie für drei selbstgewählte Ideen, das es sich wirklich um fundamentale Ideen der Informatik handelt. Prüfen Sie dazu, ob die fünf Kriterien erfüllt sind.

5. Erläutern Sie das Spiralprinzip nach Bruner mit seinen Säulen unter Verwendung der fundamentalen Ideen der Informatik. Erläutern Sie die Vorteile des Spiralprinzips.

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Literatur

/BRU60/ Bruner, Jerome S.; The Process of Education (1960);

deutsch: Der Prozess der Erziehung, Berlin-Verl. 1970

/HART06/ Hartmann, Werner, Michael Näf, Raimond Reichert; Informatikunterricht planen und durchführen; Springer Verlag; Berlin Heidelberg; 2006

ISBN 3-540-34484-5

/KALK07/ Gerrit Kalkbrenner; Neue Inhalte für den Informatikunterricht; LOG IN Heft Nr. 145 (2007)

/SCHUB04/ Schubert, Schwill; Didaktik der Informatik; Spektrum Akademischer Verlag;

Heidelberg; 2004 ISBN 3-8274-1382-6

/SCHW93/ Schwill, Andreas; Fundamentale Ideen der Informatik;

Zentralblatt für Didaktik der Mathematik, Volume 25 (February 1993) Number 1