Informatik

Informatik – muss ich da etwa programmieren?

 

Der niederländische Informatiker Edsger Dijkstra formulierte es so: „In der Informatik geht es genauso wenig um Computer wie in der Astronomie um Teleskope.“ Aber was tut man dann? Hier ein kleiner Ausschnitt aus den Inhalten des Fachunterrichts!

KLasse 7

Computer verstehen

„Jeder kann einen PC zusammen bauen“ - die Bestandteile eines PCs sowie deren Funktionsweise werden erklärt. Dazu können PCs aus Bausätzen (Baukastenprinzip) zusammengestellt werden.

In den nächsten Stunden werden Beispiele für Betriebssysteme und deren Aufgaben, Software (Anwender-, Systemsoftware), Aufgaben der Gerätetreiber sowie das Anpassen von Benutzeroberflächen behandelt.

Bits und Bytes

Im Anschluss an den Lernbereich 1 bietet es sich an, den Bereich Bits und Bytes zu behandeln. Das Binärsystem kann auch als eine Möglichkeit zur Verschlüsselung von Botschaften genutzt werden.

Computer benutzen

Vorhandene Kenntnisse zur Informationssuche und –austausch werden systematisiert und Fachbegriffe erarbeitet. Es wird in vielfältigen Varianten auf den Schutz persönlicher Daten sowie das Urheberrecht hingewiesen. Ebenso wird über den Wahrheitsgehalt von Webseiten diskutiert.

Computer verwenden

Häufig werden Projektaufgaben gemeinsam bearbeitet - damit es ein einheitliches Aussehen bekommt, sind Regeln notwendig: dazu müssen die Schüler Objekte, deren Attribute sowie Methoden z. B. der Textverarbeitung oder Bildschirmpräsentationen kennen. Zur schnelleren Darstellung der vereinbarten Regeln dienen Mindmaps, UML und die Punktnotation.

Klasse 8

Informationen repräsentieren

Zentrales Thema ist der Zusammenhang von Daten und Informationen.

Als Einstieg zum Thema Information repräsentieren könnten die Schüler z.B. ihr Freizeitverhalten darstellen. Spannender ist die Idee Smarties nach ihrer absoluten Häufigkeit bzgl. des Vorkommens jeder Farbe auszuwerten. Sehr gut können in der Auswertung die Begriffe Information und Daten sowie Repräsentation erarbeitet werden - ebenso eignet sich der QRCode.

Zum Beherrschen typischer Handlungsfolgen zum Repräsentieren von Informationen bietet die Auswertung von Informationen sowie deren Darstellung als Bildschirmpräsentationen an. Dazu werden die Ergebnisse des Informatik Bibers genutzt und diese werden nach unterschiedlichen Gesichtspunkten ausgewertet und präsentiert.

Daten verarbeiten

Mithilfe des Computer-Bausatzes wird vorhandenes Wissen aktiviert und neue Begriffe eingeführt. Diese Arbeitsteilung verstehen die Schüler besonders gut mit einem Rollenspiel - CPU-Simulation als Rollenspiel im Computerraum. Die unterschiedliche Übertragung der Daten an paralleler bzw. serieller Schnittstelle wird untersucht sowie der Datenaustausch zwischen Computersystemen. Um das Verständnis des Ablaufes von Datenverarbeitungsprozessen zu erleichtern ist das Programm Mops (Modellrechner mit Pseudoasssembler) sehr gut geeignet. Zur schematischen Darstellung von Abläufen sowie zu Problemlösestrategien kann die Programmierumgebung Robot Karol genutzt werden. 

Logik am Computer

Dieser WP-Bereich kann gut in den LB Daten verarbeiten integriert werden. Als praktischer Teil kann das Programm Infotraffic genutzt werden. Als Einführung können sich die Schüler im Selbststudium auf der Webseite einen Überblick verschaffen. Mithilfe dieser Vorkenntnisse werden einzelne, einfache Szenarien gelöst.

Informationen interpretieren

Die Schüler beurteilen schützenswerte Daten, ebenfalls wird Datenschutz und Urheberrechte an vielfältigen Beispielen thematisiert.

 

Klasse 9

Multimedia und Medientypen

Neben Medientypen wird auf die unterschiedlichen Farbmodelle (RGB und CYMK)  eingegangen. Weiterhin wird auf Prinzipien zur Digitalisierung von Bilddaten und dem daraus resultierenden Speicherbedarf eingegangen. Der Vorgang des Digitalisierens wird mit dem Programm Blinkenpaint gefestigt.

Verfahren zur Verbesserung der Bildqualität werden an geeignetem Bildmaterial angewandt (Tonwertkorrektur, Kontraste, Gradiationskurven). Die Erstellung von Fotomontagen (verschiedene Werkzeuge, Arbeit mit Ebenen und Pfaden) erlernen die Schüler mit unterschiedlichen Übungsaufgaben – z.B. Erstellung eines Wolpertingers. Abschließend kann zum Profilthema eine Fotomontage erstellt. Ebenfalls wird ein Projekt mit dem Thema „Erstellung von Animationen“ durchgeführt.

Erstellung von Webseiten

Grundlagen zur Erstellung und Veröffentlichung von Internetseiten werden erarbeitet. Dazu spielen u.a. neben Modellen zur Vernetzung, unterschiedlichen Ausgabegeräten auch die farbliche Gestaltung eine Rolle. Eine einheitliche Formatierung der Webseiten sowie die Möglichkeit das Layout aller Webseiten an nur einer Stelle zu ändern beinhaltet die Notwendigkeit der Arbeit mit CSS. 

Klasse 10

Kommunikation

Zum Veröffentlichen der Webseite müssen die Schüler über Wissen zur netzwerkbasierter Kommunikation verfügen.

Folgende Inhalte werden thematisiert:

·         Kennen ausgewählter Netzwerkkomponenten und Topologien 

·         Kennen von Diensten und der Bedeutung von Protokollen in vernetzten Systemen

·         Maßnahmen zur Gewährleistung von Datensicherheit/Datenschutz in vernetzten Systemen 

Programmierung

Als Programmierumgebung wird Java verwendet. Algorithmische Grundstrukturen (Sequenz, Verzweigung, Mehrfachverzweigung, Zyklen) werden mithilfe der Turtlegrafik erarbeitet. Weiterhin haben die Schüler die Möglichkeit Legoroboter zu programmieren.

Datenbanksysteme

Bedingt durch die Notwendigkeit des Einsatzes von Datenbanksystemen erarbeiten die Schüler in vereinfachter Form werden Datenbankentwürfe (ERM). Bei vorhandenen  Datenbanken werden mit SQL Abfragen erstellt.

Klassen 11/12

Kommunikation in Netzen

Vor- und Nachteile vernetzter Systeme werden diskutiert. Protokolle und Dienste werden anschließend untersucht. Begriffe wie Subnetmasken, Netzwerkklassen werden erarbeitet. Ausgehend von der Zuordnung IP – Gerät und der Umstellstellung von IPv4 zu IPv6 wird die Aufgabe des DNS-Dienstes erarbeitet und im OSI-Schichtenmodell verankert.

Die Schüler bauen aus Einzelplatzrechnern ein lokales Netz auf mit einer vorausgegangen Planung der logischen und physischen Struktur, der benötigten Hilfselemente und der verwendeten Protokolle. Zusätzlich können der Aufbau von Netzwerken und die Einrichtung von Diensten mit dem von der Uni Siegen entwickelten Programm FILIUS simuliert werden.

Informatische Modelle

Thematisiert werden der Modellbegriff in der Informatik, die Aufgaben von Modellen, Phasen der Modellierung und unterschiedliche Techniken.

Sicherheit von Informationen

Neben monoalpabetischen Verfahren werden auch verschiedene polyalphabetische Verschlüsselungen betrachtet. Um polyalphabetische Verschlüsselungen zu vereinfachen, kann man selber eine kleine Chiffriermaschine bauen und ver- und entschlüsseln. Damit ist auch der Übergang von der historischen  zur mechanischen Krytologie - Enigma - hergestellt.

Die Transpositon wird an einigen Beispielen erläutert (Gartenzaun) und als Kombination aus Trans- und Substitution der Polybios vorgestellt. RSA als asymmetrisches Verfahren ist ein wichtiger Baustein.

Die wiederholende Arbeit im Binärsystem ist Grundlage für das Verständnis der computergestützten Steganographie. Das Einbetten der Nachricht im letzen Bit (Least Significant Bits) wird vorgestellt und steganographische Verfahren werden untersucht.

Mit dem Programm Cryptool ( http://www.cryptool.de/ ) sowie Webrecherche  werden verschiedene Methoden der Kryptoanalyse erarbeitet.   

Datenstrukturen und Algorithmen

Als Programmiersprache wird Java genutzt. Algorithmische Grundstrukturen (Verzweigung, Mehrfachverzweigung, Zyklen) und die Arbeit mit Unterprogrammen (Prozeduren  und Funktionen) bilden die Grundlagen der Programmierung.

Mit der Zielstellung große Datenmengen zu verarbeiten werden Felder als eine Möglichkeit zusammengesetzter Datentypen behandelt. Zur Systematisierung erarbeiten die Schüler einen Überblick über bisher bekannte Datentypen und Datenstrukturen, als neue Komponente werden die höheren Datenstrukturen eingeführt.

Rekursive Programmierung mit den Beispielen Türme von Hanoi oder Fibonaccizahlen werden untersucht.  Für weiterführende Programmierbeispiele werden rekursive Grafiken mit Java programmiert. Rekursive Unterprogramme erzeugen durch ihren erneuten Aufruf einen Stapel nicht abgearbeiteter Unterprogramme. Dieser Stapel "Arbeit" muss natürlich irgendwo zwischengelagert werden und nach dem LIFO-Prinzip abgearbeitet werden. Vorteile der rekursiven Programmierung liegen u. a. im Finden einfacher Lösungsansätze – dazu eignen sich gut das Pascalsche Dreieck, die Türme von Hanoi und auch die Sizza-Zahl. Einführend zur Effizienz von Algorithmen können die Fibonaccizahlen mit der Zeitmessung berechnet werden.

Bei der Beschäftigung mit Feldern wird der Wunsch nach einer Sortierung der großen Datenmengen auftreten. Zur Einführung von Bubble-Sort kann mit Schachteln gearbeitet werden, in welchen sich die zu sortierenden Daten befinden, denn die Sortieralgorithmen vergleichen nur zwei Werte miteinander. Das Auf- und Zuschieben der Schachteln sowie die notwendigen Tauschoperationen werden tabellarisch protokolliert – schnell erkennen die Schüler, dass ein einmaliger Durchlauf zur Sortierung aller Zahlen nicht ausreichend ist. Da dieses Verfahren auch als Britische Museums Methode bekannt ist, besteht die Motivation effizientere Verfahren zu suchen. Fachbegriffe wie Problemgröße, Elementaroperationen sowie Aufwandabschätzung werden thematisiert.

Grenzen der Berechenbarkeit  und Komplexität von Algorithmen sind ein zentrales Problem in der Informatik. Mit kleinen Graphenmodellen sollen Lösungswege zum Problem des Handlungsreisenden gefunden werden.

Mithilfe dieser Modelle können Begriffe zur Graphentheorie erarbeitet werden, unterschiedliche Aufgaben wie das Rundreiseproblem oder das Finden der kürzesten Verbindung werden untersucht. Auf den extrem ansteigenden Aufwand z.B. bei Brute-Force-Algorithmen wird hingewiesen, verbesserte Algorithmen werden benötigt. Die N- und NP-Problemklassen werden erarbeitet.

Datenbanken

Anhand von Anwendungsbeispielen aus dem eigenen Erlebnisbereich der Schüler können Notwendigkeit, Vorteile und Nachteile von elektronisch gespeicherten Daten im Unterrichtsgespräch erarbeitet werden. Dabei werden gleichzeitig die Begriffe DB, DBMS und DBS wiederholend erläutert, da sie bereits im Profilunterricht Klasse 9/10 behandelt wurden.
Es wird den Schülern ein Überblick (Struktur, Vor- und Nachteile) über Datenbankmodelle vermittelt.
Die Schüler entwickeln selbstständig  ERMs zu vorgegebenen Diskursbereichen, die anschließend im Unterrichtsgespräch diskutiert werden und praktisch umgesetzt werden. Diese Entwürfe werden normalisiert.
Es schließt sich ein Exkurs in die Relationenalgebra an. Die Schüler lernen den DURCHSCHNITT, die VEREINIGUNG und DIFFERENZ im Zusammenhang mit DBS sowie die relationalen Operationen SELEKTION, PROJEKTION, KOMBINATION aus Selektion und Projektion sowie KARTESISCHES PRODUKT und VERBUND (JOIN) kennen.  Es folgt die praktische Umsetzung mit der Abfragesprache SQL.

Wissenschaft Informatik

Die Schüler erarbeiten selbstständig einen Überblick über die Teilgebiete der Informatik und deren Anwendungen. Zur theoretischen Informatik ist die Vorstellung der Turing-Maschine geeignet. Zu Turing gibt es bei Grenzen der Berechenbarkeit sowie bei der Sicherheit von Informationen Bezugspunkte. 

Computergrafik

Die Schüler erarbeiten weitere Farbmodellen und setzen sich mit Farbpsychologie, optische Wahrnehmung und Täuschung auseinander.

Sie kennen Verfahren der Bildgenerierung und –analyse:

- Hardwarevoraussetzungen

- rechnerinterne Beschreibung grafischer Objekte (Speicherbedarf)

- Mustererkennung Bild- und Texterkennung

- Modellierung von grafischen Objekten

Eine besondere Bedeutung spielen Verfahren zur Bildkomprimierung wie Huffman und LZW (Effizienz, Verlustbehaftung).

Sie gewinnen Einblick in die Möglichkeiten der Manipulation von Bilddaten (vgl. Least Significant Bits) und der Bildforensik.

Informatik Biber

Die Schüler unserer Schule nehmen seit mehreren Jahren erfolgreich am Informatik Biber teil.