Das Max-Planck-Gymnasium (MPG) ist eine vierzügige Schule mit ca. 840 Schülerinnen und Schülern (Stand: Januar 2014), etwa 60 Lehrerinnen und Lehrern. Das Einzugsgebiet der Schule umfasst zum größten Teil den Gelsenkirchener Stadtteil Buer. Die Schule kooperiert in der Oberstufe mit der Nachbarschule, dem Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasium, unter anderem im Fach Informatik.
Das Fach Informatik wird am MPG ab der Jahrgangsstufe 8 im Wahlpflichtbereich II (WP II) dreistündig unterrichtet. In der Regel kommt dabei bei ca. 100 Schülerinnen und Schülern ein Kurs in der Kursstärke von etwa 20 Lernenden zustande. In diesem Kurs wird in altersangemessener Weise unter anderem auf die Grundlagen der Algorithmik am Beispiel einer didaktischen Lernumgebung, auf Funktionsweise und gesellschaftliche Wirkung der globalen Vernetzung und auf Datensicherheit eingegangen.
Darüber hinaus ist das Fach im MINT-Zweig der Schule eingebunden, der von den Schülerinnen und Schülern zu Beginn der Jahrgangsstufe 5 angewählt werden kann und mit einer zusätzlichen Wochenstunde bis zur Jahrgangsstufe 7 unterrichtet wird. Inhaltlich geht es dabei um den Einsatz des Computers als Werkzeug beim Verfassen von Texten oder Präsentationen, die grundsätzlichen Funktionen eines Betriebssystems wie etwa des Dateisystems und den Einsatz im Mathematik- und NW-Unterricht.
Im Unterricht in der Sekundarstufe II wird Java als Vertreter einer Programmiersprache Paradigmas der Objektorientierung eingesetzt, um den derzeitigen Anforderungen der Abiturvorgaben gerecht zu werden. In der Jahrgangsstufe 10 (Einführungsphase) kommt dabei zu didaktischen Reduzierung der Komplexität der Programmerstellung für Anfänger die Bibliothek GLOOP zum Einsatz, mit der auf einfache Weise dreidimensionale Grundkörper wie Kugeln, Quader oder Prismen dargestellt und manipuliert werden können.
In der Einführungsphase (EPh) geht es in erster Linie um das Erlernen der grundsätzlichen Elemente von Java. Der Unterricht ist geprägt von abwechselnden Arbeitsphasen mündlicher oder schriftlicher Natur und der Arbeit an den PCs, um erarbeitete Verfahren, Strukturen oder Ideen praktisch zu erproben. Dabei ist der Unterricht im wesentlichen projektartig orientiert an Beispielszenarien, diem anfangs noch enger geführt zunehmend offeneren Charakter besitzen, um die Schülerinnen und Schüler zu motivieren, eigene Lösungen zu entwerfen, vorgegebene Lösungen durch eigene Ideen zu variieren oder zu erweitern.
Die Schule ist mit drei Computerräumen mit jeweils 28 Computerarbeitsplätzen sowie einigen mobilen Laptopwagen ausgestattet, die alle an das schulinterne Netzwerk angeschlossen sind, der es den Benutzern ermöglicht, mit einer einheitliche Umgebung zu arbeiten, gleich welchen PC sie gerade nutzen.
Hinweis: Die nachfolgend dargestellte Umsetzung der verbindlichen Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans findet auf zwei Ebenen statt. Das Übersichtsraster gibt den Lehrkräften einen raschen Überblick über die laut Fachkonferenz verbindlichen Unterrichtsvorhaben pro Schuljahr. In dem Raster sind außer dem Thema des jeweiligen Vorhabens das schwerpunktmäßig damit verknüpfte Inhaltsfeld bzw. die Inhaltsfelder, inhaltliche Schwerpunkte des Vorhabens sowie Schwerpunktkompetenzbereiche ausgewiesen. Die Konkretisierung von Unterrichtsvorhaben führt weitere Kompetenzerwartungen auf und verdeutlicht vorhabenbezogene Absprachen, z.B. zur Festlegung auf einen Aufgabentyp bei der Lernerfolgsüberprüfung durch eine Klausur.
Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben in diesem Dokument deckt sämtliche im Kernlehrplan Informatik angeführte Kompetenzen.
Zur Darstellung der Unterrichtsvorhaben werden zunächst die Unterrichtsvorhaben benannt und die angesprochenen Inhaltsfelder und Kompetenzen benannt. Außerdem wird eine Einschätzung der benötigten Unterrichtszeit benannt. Die benannten Vorhaben und ihre Kompetenzerwartungen sind für die Lehrer der Schule verbindlich, allerdings ist der Zeitbedarf nur als grober Richtwert zu verstehen, der je nach Bedarf unter- oder überschritten werden kann. Darüber hinaus lässt der schulinterne Lehrplan Platz für individuelle Schwerpunktsetzung der Fachlehrer, der zur Vertiefung, Eingehen auf Schülerinteressen, dem Besuch außerschulischer Lernorte o.ä. verwendet werden kann.
Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben im Übersichtsraster sind verbindlich. Dies ermöglicht Schülerinnen und Schülern den Wechsel der Lerngruppe, z.B. im Falle einer Wiederholung einer Jahrgangsstufe, und garantiert einheitliche Standards. Demgegenüber haben die konkretisierten Unterrichtsvorhaben keine direkte bindende Wirkung, sondern hegen den Anspruch, neuen Kolleginnen oder Kollegen, Referendarinnen oder Referendaren Empfehlungen zu Inhalten, didaktiken Zugängen, Methoden, Kooperationen, Lernmitteln aber auch möglichen Leistungsüberprüfungen zu geben. Dabei ist es grundsätzlich erwünscht, dass die konkretisierten Sequenzen von den Lehrkräften überarbeitet und ihrer eigenen Vorstellungen und Erfahrung angepasst werden, solange die dargelegten Kompetenzen berücksichtigt werden.
Argumentieren
Darstellen und Interpretieren
Kommunizieren und Kooperieren
Informatiksysteme
Informatik, Mensch und Gesellschaft
Einzelrechner
Dateisystem
Einsatz von Informatiksystemen
Zeitbedarf: 5 Stunden
Modellieren
Implementieren
Darstellen und Interpretieren
Kommunizieren und Kooperieren
Daten und ihre Strukturierung
Formale Sprachen und Automaten
Objekte und Klassen
Syntax und Semantik einer Programmiersprache
Zeitbedarf: 8 Stunden
Argumentieren
Modellieren
Implementieren
Darstellen und Interpretieren
Kommunizieren und Kooperieren
Daten und ihre Strukturierung
Algorithmen
Formale Sprachen und Automaten
Objekte und Klassen
Syntax und Semantik einer Programmiersprache
Analyse, Entwurf und Implementation einfacher Algorithmen
Zeitbedarf: 18 Stunden
Argumentieren
Modellieren
Implementieren
Darstellen und Interpretieren
Kommunizieren und Kooperieren
Daten und ihre Strukturierung
Algorithmen
Formale Sprachen und Automaten
Objekte und Klassen
Syntax und Semantik einer Programmiersprache
Analyse, Entwurf und Implementation einfacher Algorithmen
Zeitbedarf: 18 Stunden
Argumentieren
Modellieren
Darstellen und Interpretieren
Kommunizieren und Kooperieren
Algorithmen
Algorithmen zum Suchen und Sortieren
Analyse, Entwurf und Implementation einfacher Algorithmen
Zeitbedarf: 9 Stunden
Argumentieren
Darstellen und Interpretieren
Kommunizieren und Kooperieren
Informatik, Mensch und Gesellschaft
Informatiksysteme
Wirkungen der Automatisierung
Geschichte der automatischen Datenverarbeitung
Digitalisierung
Zeitbedarf: 9 Stunden
Zeitbedarf: 9 Stunden
Zeitbedarf: 20 Stunden
Zeitbedarf: 15 Stunden
Zeitbedarf: 24 Stunden
Zeitbedarf: 12 Stunden
Zeitbedarf: 18 Stunden
Zeitbedarf: 21 Stunden
Zeitbedarf: 12 Stunden
Im Folgenden sollen die im Unterkapitel Abschnitt 2.1.1, „Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben“ aufgeführten Unterrichtsvorhaben konkretisiert werden.
Verbindliche Festlegungen der Fachkonferenz: Die Fachkonferenz der Beispielschule hat Themen, Leitfragen und die Ausführungen unter der Überschrift Vorhabenbezogene Konkretisierung verbindlich vereinbart, ebenso die Sequenzierung der Unterrichtsvorhaben (erste Tabellenspalte) und die ausgewiesenen Kompetenzen (zweite Tabellenspalte). Alle Mitglieder der Fachkonferenz haben sich darauf verständigt, in ihrem Unterricht Lerngelegenheiten anzubieten, so dass Schülerinnen und Schüler diese Kompetenzen im Rahmen der festgelegten Unterrichtssequenzen erwerben oder vertiefen können.
Unterrichtliche Anregungen: Die angeführten Beispiele, Medien und Materialien sind dagegen Vorschläge bzw. Hilfen für die Lehrkräfte der Beispielschule. In diesen Bereichen sind Abweichungen von den vorgeschlagenen Vorgehensweisen möglich.
Leitfragen: Womit beschäftigt sich die Wissenschaft der Informatik? Wie kann die in der Schule vorhandene informatische Ausstattung genutzt werden?
Das erste Unterrichtsvorhaben stellt eine allgemeine Einführung in das Fach Informatik dar. Dabei ist zu berücksichtigen, dass für manche Schülerinnen und Schüler in der Einführungsphase der erste Kontakt mit dem Unterrichtsfach Informatik stattfindet, so dass zu Beginn Grundlagen des Fachs behandelt werden müssen.
Zunächst wird auf den Begriff der Information eingegangen und die Möglichkeit der Kodierung in Form von Daten thematisiert.
Des Weiteren soll der grundlegende Aufbau eines Rechnersystems im Sinne der Von-Neumann-Architektur erarbeitet werden und mit dem grundlegenden Prinzip der Datenverarbeitung (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) in Beziehung gesetzt werden.
Zeitbedarf: 5 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Information, deren Kodierung und Speicherung
| Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Textkodierung
Beispiel: Bildkodierung |
2. Aufbau informatischer Systeme
|
Material: Demonstrationshardware |
Leitfragen: Wie lassen sich Gegenstandsbereiche informatisch modellieren und im Sinne einer Simulation informatisch realisieren?
Ein zentraler Bestandteil des Informatikunterrichts der Einführungsphase ist die Objektorientierte Programmierung. Dieses Unterrichtsvorhaben führt in die Grundlagen der Analyse, Modellierung und Implementierung in diesem Kontext ein.
Dazu werden zunächst konkrete Gegenstandsbereiche aus der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler analysiert und im Sinne des Objektorientierten Paradigmas strukturiert. Dabei werden die grundlegenden Begriffe der Objektorientierung und Modellierungswerkzeuge wie Objektkarten, Klassenkarten oder Beziehungsdiagramme eingeführt.
Im Anschluss wird mit der Realisierung erster Projekte mit Hilfe der didaktischen Programmierumgebung GLOOP begonnen. Die von der Bibliothek vorgegebenen Klassen werden von Schülerinnen und Schülern in Teilen analysiert und entsprechende Objekte anhand einfacher Problemstellungen erprobt. Dazu muss der grundlegende Aufbau einer Java-Klasse thematisiert und zwischen Deklaration, Initialisierung und Methodenaufrufen unterschieden werden.
Da bei der Umsetzung dieser ersten Projekte konsequent auf die Verwendung von Kontrollstrukturen verzichtet wird und der Quellcode aus einer rein linearen Sequenz besteht, ist auf diese Weise eine Fokussierung auf die Grundlagen der Objektorientierung möglich, ohne dass algorithmische Probleme ablenken. Natürlich kann die Arbeit an diesen Projekten unmittelbar zum nächsten Unterrichtsvorhaben führen. Dort stehen unter anderem Kontrollstrukturen im Mittelpunkt.
Zeitbedarf: 8 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Identifikation von Objekten
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Vogelschwarm |
2. Analyse von Klassen didaktischer Lernumgebungen
|
Materialien: Dokumentation der Bibliothek GLOOP | |
3. Implementierung dreidimensionaler, statischer Szenen
|
Beispiel: Skulpturengarten
Beispiel: Olympische Ringe Materialien: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator — Sequenzielle Programmierung |
Leitfragen: Wie lassen sich Animationen und Simulationen optischer Gegenstandsbereiche unter Berücksichtigung von Tastatureingaben realisieren?
Der Schwerpunkt dieses Unterrichtsvorhabens liegt auf der Entwicklung mehrerer Projekte, die durch Eingaben des Benutzers gesteuerte Animationen aufweisen. Zunächst wird ein Projekt bearbeitet, das in Anlehnung an das vorangegangene Unterrichtsvorhaben eine Szene darstellt, die lediglich aus Objekten besteht, zu denen das didaktische System Klassen vorgibt. Einzelne Objekte der Szene werden animiert, um ein einfaches Spiel zu realisieren oder die Szene optisch aufzuwerten. Für die Umsetzung dieses Projekts werden Kontrollstrukturen in Form von Schleifen und Verzweigungen benötigt und eingeführt.
Sind an einem solchen Beispiel im Schwerpunkt Schleifen und Verzweigungen eingeführt worden, sollen diese Konzepte an weiteren Beispielprojekten eingeübt werden. Dabei muss es sich nicht zwangsläufig um solche handeln, bei denen Kontrollstrukturen lediglich zur Animation verwendet werden. Auch die Erzeugung größerer Mengen grafischer Objekte und deren Verwaltung in einem Feld kann ein Anlass zur Verwendung von Kontrollstrukturen sein.
Das Unterrichtsvorhaben schließt mit einem Projekt, das komplexere grafische Elemente beinhaltet, so dass die Schülerinnen und Schüler mehr als nur die Klasse erstellen müssen, welche die Szene als Ganzes darstellt. Elemente der Szene müssen zu sinnhaften eigenen Klassen zusammengefasst werden, die dann ihre eigenen Attribute und Dienste besitzen. Auch dieses Projekt soll eine Animation, ggf. im Sinne einer Simulation, sein, bei der Attributwerte von Objekten eigener Klassen verändert werden und diese Veränderungen optisch sichtbar gemacht werden.
Komplexere Assoziationsbeziehungen zwischen Klassen werden in diesem Unterrichtsvorhaben zunächst nicht behandelt. Sie stellen den Schwerpunkt des folgenden Vorhabens dar.
Zeitbedarf: 18 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Bewegungsanimationen am Beispiel einfacher grafischer Objekte (GLObjekte)
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Wurfspiel Material: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator – Kontrollstrukturen |
2. Erstellen und Verwalten größerer Mengen einfacher grafischer Objekte
(GLObjekte)
|
Beispiel: Hubschrauberlandeplatz
Beispiel: Schachbrett
Beispiel: Magischer Würfel Materialien: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator — Kontrollstrukturen | |
3. Modellierung und Animation komplexerer grafisch repräsentierbarer Objekte
|
Beispiel: Kerzensimulation
Beispiel: Uhren
Beispiel: Ampeln Materialien: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator — Eigene Klassen |
Leitfragen: Wie lassen sich komplexere Datenflüsse und Beziehungen zwischen Objekten und Klassen realisieren?
Dieses Unterrichtsvorhaben beschäftigt sich im Schwerpunkt mit dem Aufbau komplexerer Objektbeziehungen. Während in vorangegangenen Unterrichtsvorhaben Objekte nur jeweils solchen Objekten Nachrichten schicken konnten, die sie selbst erstellt haben, soll in diesem Unterrichtsvorhaben diese hierarchische Struktur aufgebrochen werden.
Dazu bedarf es zunächst einer präzisen Unterscheidung zwischen Objektreferenzen und Objekten, so dass klar wird, dass Dienste eines Objektes von unterschiedlichen Objekten über unterschiedliche Referenzen in Anspruch genommen werden können. Auch der Aufbau solcher Objektbeziehungen muss thematisiert werden. Des Weiteren wird das Prinzip der Vererbung im objektorientierten Sinne angesprochen. Dazu werden die wichtigsten Varianten der Vererbung anhand von verschiedenen Projekten vorgestellt. Zunächst wird die Vererbung als Spezialisierung im Sinne einer einfachen Erweiterung einer Oberklasse vorgestellt. Darauf folgt ein Projekt, welches das Verständnis von Vererbung um den Aspekt der späten Bindung erweitert, indem Dienste einer Oberklasse überschrieben werden. Modellierungen sollen in Form von Implementationsdiagrammen erstellt werden.
Zum Abschluss kann kurz auf das Prinzip der abstrakten Klasse eingegangen werden. Dieser Inhalt ist aber nicht obligatorisch für die Einführungsphase.
Zeitbedarf: 18 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Vertiefung des Referenzbegriffs und Einführung des Prinzips der
dynamischen Referenzierung
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Seifenblasen
Beispiel: Sonnensystem |
2. Entwicklung eines Spiels mit der Notwendigkeit von Kollisionskontrollen zwischen zwei oder mehr grafischen Objekten
|
Beispiel: Ufospiel
Beispiel: Billardkugeln
Beispiel: Autospiel Materialien: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator — Assoziationen Informationsblatt: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator — Implementationsdiagramme | |
3. Erarbeitung einer Simulation mit grafischen Objekten, die sich durch
unterschiedliche Ergänzungen voneinander unterscheiden (Vererbung durch
Spezialisierung ohne Überschreiben von Methoden)
|
Beispiel: Schneemann Materialien: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator — Vererbung | |
4. Entwicklung einer komplexeren Simulation mit grafischen Elementen,
die unterschiedliche Animationen durchführen (Vererbung mit Überschreiben
von Methoden)
|
Beispiel: Flummibälle
Beispiel: Weihnachtsbaum Materialien: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator — Vererbung |
Leitfragen: Wie können Objekte bzw. Daten effizient sortiert werden, so dass eine schnelle Suche möglich wird?
Dieses Unterrichtsvorhaben beschäftigt sich mit der Erarbeitung von Such- und Sortieralgorithmen. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt dabei auf den Algorithmen selbst und nicht auf deren Implementierung in einer Programmiersprache, auf die in diesem Vorhaben vollständig verzichtet werden soll.
Zunächst erarbeiten die Schülerinnen und Schüler mögliche Einsatzszenarien für Such- und Sortieralgorithmen, um sich der Bedeutung einer effizienten Lösung dieser Probleme bewusst zu werden. Anschließend werden Strategien zur Sortierung mit Hilfe eines explorativen Spiels von den Schülerinnen und Schülern selbst erarbeitet und hinsichtlich der Anzahl notwendiger Vergleiche auf ihre Effizienz untersucht.
Daran anschließend werden die erarbeiteten Strategien systematisiert und im Pseudocode notiert. Die Schülerinnen und Schüler sollen auf diese Weise das Sortieren durch Vertauschen, das Sortieren durch Auswählen und mindestens einen weiteren Sortieralgorithmus, kennen lernen.
Des Weiteren soll das Prinzip der binären Suche behandelt und nach Effizienzgesichtspunkten untersucht werden.
Zeitbedarf: 9 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Explorative Erarbeitung eines Sortierverfahrens
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Sortieren mit Waage Materialien: Computer science unplugged — Sorting Algorithms |
2. Systematisierung von Algorithmen und Effizienzbetrachtungen
|
Beispiel: Sortieren durch Auswählen, Sortieren durch
Vertauschen, Quicksort Materialien: Computer science unplugged — Sorting Algorithms | |
3. Binäre Suche auf sortierten Daten
|
Beispiel: Simulationsspiel zur binären Suche
nach Tischtennisbällen Materialien: Computer science unplugged — Sorting Algorithms |
Leitfragen: Welche Entwicklung durchlief die moderne Datenverarbeitung und welche Auswirkungen ergeben sich insbesondere hinsichtlich neuer Anforderungen an den Datenschutz daraus?
Das folgende Unterrichtsvorhaben stellt den Abschluss der Einführungsphase dar. Schülerinnen und Schüler sollen selbstständig informatische Themenbereiche aus dem Kontext der Geschichte der Datenverarbeitung und insbesondere den daraus sich ergebenen Fragen des Datenschutzes bearbeiten. Diese Themenbereiche werden in Kleingruppen bearbeitet und in Form von Plakatpräsentationen vorgestellt. Schülerinnen und Schüler sollen dabei mit Unterstützung des Lehrenden selbstständige Recherchen zu ihren Themen anstellen und auch eine sinnvolle Eingrenzung ihres Themas vornehmen.
Anschließend wird verstärkt auf den Aspekt des Datenschutzes eingegangen. Dazu wird das Bundesdatenschutzgesetz in Auszügen behandelt und auf schülernahe Beispielsituationen zur Anwendung gebracht. Dabei steht keine formale juristische Bewertung der Beispielsituationen im Vordergrund, die im Rahmen eines Informatikunterrichts auch nicht geleistet werden kann, sondern vielmehr eine persönliche Einschätzung von Fällen im Geiste des Datenschutzgesetzes.
Zeitbedarf: 15 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Selbstständige Erarbeitung von Themen durch die Schülerinnen und Schüler
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Ausstellung zu informatischen Themen Materialien: Schülerinnen und Schüler recherchieren selbstständig im Internet, in der Schulbibliothek, in öffentlichen Bibliotheken, usw. |
2. Vertiefung des Themas Datenschutz
|
Beispiel: Fallbeispiele aus dem aktuellen Tagesgeschehen
Vertauschen, Quicksort Materialien: Materialblatt zum Bundesdatenschutzgesetz |
Leitfragen: Wie modelliert und implementiert man zu einer Problemstellung in einem geeigneten Anwendungskontext Java-Klassen inklusive ihrer Attribute, Methoden und Beziehungen? Wie kann man die Modellierung und die Funktionsweise der Anwendung grafisch darstellen?
Zu einer Problemstellung in einem Anwendungskontext soll eine Java-Anwendung entwickelt werden. Die Problemstellung soll so gewählt sein, dass für diese Anwendung die Verwendung einer (möglicherweise abstrakten) Oberklasse als Generalisierung verschiedener Unterklassen sinnvoll erscheint und eine Klasse durch eine Unterklasse spezialisiert werden kann. Um die Aufgabe einzugrenzen, können (nach der ersten Problemanalyse) einige Teile (Modellierungen oder Teile von Java-Klassen) vorgegeben werden.
Die Schülerinnen und Schülern erläutern und modifizieren den ersten Entwurf und modellieren sowie implementieren weitere Klassen und Methoden für eine entsprechende Anwendung. Klassen und ihre Beziehungen werden in einem Implementationsdiagramm dargestellt. Dabei werden Sichtbarkeitsbereiche zugeordnet. Exemplarisch wird eine Klasse dokumentiert. Der Nachrichtenaustausch zwischen verschiedenen Objekten wird verdeutlicht, indem die Kommunikation zwischen zwei ausgewählten Objekten grafisch dargestellt wird. In diesem Zusammenhang wird das Nachrichtenkonzept der objektorientierten Programmierung wiederholt.
Zeitbedarf: 9 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
Wiederholung und Erweiterung der objektorientierten Modellierung und Programmierung durch Analyse und Erweiterung
eines kontextbezogenen Beispiels
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Material:
Tannenbaum Ein Prototyp, der bereits mit Kugeln geschmückt werden kann, kann zur Verfügung gestellt werden. Da alle Schmuckstücke über die Funktion des Auf- und Abschmückens verfügen sollen, liegt es nahe, dass entsprechende Methoden in einer gemeinsamen Oberklasse realisiert werden. |
Leitfragen: Wie können beliebig viele linear angeordnete Daten im Anwendungskontext verwaltet werden?
Nach Analyse einer Problemstellung in einem geeigneten Anwendungskontext, in dem Daten nach dem First-In-First-Out
Prinzip verwaltet werden, werden der Aufbau von Schlangen am Beispiel dargestellt und die Operationen der Klasse Queue
erläutert. Anschließend werden für die Anwendung notwendige Klassen modelliert und implementiert. Eine Klasse für eine
den Anforderungen der Anwendung entsprechende Oberfläche sowie die Klasse Queue wird dabei von der Lehrkraft vorgegeben.
Anschließend wird die Anwendung modifiziert, um den Umgang mit der Datenstruktur zu üben. Anhand einer Anwendung, in der
Daten nach dem Last-In-First-Out-Prinzip verwaltet werden, werden Unterschiede zwischen den Datenstrukturen Schlange und
Stapel erarbeitet. Um einfacher an Objekte zu gelangen, die zwischen anderen gespeichert sind, wird die Klasse List
eingeführt und in einem Anwendungskontext verwendet. In mindestens einem weiteren Anwendungskontext wird die Verwaltung
von Daten in Schlangen, Stapeln oder Listen vertieft. Modellierungen werden dabei in Entwurfs- und Implementationsdiagrammen
dargestellt.
Alle Fachklassen werden mindestens an einem Beispiel behandelt. Erlaubt es der Zeitplan, so kann in einem weiteren Anwendungskontext beispielsweise die Kombination zweier linearer Datenstrukturen oder ein besonders interessanter informatischer Kontext wie ein Warteschlangensystem oder die Terminterpretation klammerfreier Rechenterme betrachtet werden.
Zeitbedarf: 20 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Die Datenstruktur Schlange im Anwendungskontext unter Nutzung der Klasse Queue
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Patientenwarteschlange (jeder kennt seinen Nachfolger bzw. alternativ: seinen Vorgänger)
Die Simulationsanwendung stellt eine GUI zur Verfügung, legt ein Wartezimmer an und steuert die Abläufe. Wesentlicher Aspekt des Projektes
ist die Modellierung des Wartezimmers mit Hilfe der Klasse Anschließend wird der Funktionsumfang der Anwendung erweitert: Patienten können sich zusätzlich in die Warteschlange zum Blutdruckmessen einreihen. Objekte werden von zwei Schlangen verwaltet. |
2. Die Datenstruktur Stapel im Anwendungskontext unter Nutzung der Klasse Stack
|
Beispiel: Kisten stapeln | |
3. Die Datenstruktur lineare Liste im Anwendungskontext unter Nutzung der Klasse List
|
Beispiel: Abfahrtslauf | |
| 4. Vertiefung - Anwendungen von Listen, Stapeln oder Schlangen in mindestens einem weiteren Kontext |
Beispiel: Skispringen
Beispiel: Terme in Postfix-Notation
Beispiel: Rangierbahnhof
Beispiel: Autos an einer Ampel zur Zufahrtsregelung |
Leitfragen: Wie kann man gespeicherte Informationen günstig (wieder-)finden?
In einem Anwendungskontext werden zunächst Informationen in einer linearen Liste bzw. einem Feld gesucht. Hierzu werden Verfahren entwickelt und implementiert bzw. analysiert und erläutert, wobei neben einem iterativen auch ein rekursives Verfahren thematisiert wird und mindestens ein Verfahren selbst entwickelt und implementiert wird. Die verschiedenen Verfahren werden hinsichtlich Speicherbedarf und Zahl der Vergleichsoperationen miteinander verglichen.
Anschließend werden Sortierverfahren entwickelt und implementiert (ebenfalls für lineare Listen und Felder). Hierbei soll auch ein rekursives Sortierverfahren entwickelt werden. Die Implementationen von Quicksort sowie dem Sortieren durch Einfügen werden analysiert und erläutert. Falls diese Verfahren vorher schon entdeckt wurden, sollen sie hier wiedererkannt werden. Die rekursive Abarbeitung eines Methodenaufrufs von Quicksort wird grafisch dargestellt.
Abschließend werden verschiedene Sortierverfahren hinsichtlich der Anzahl der benötigten Vergleichsoperationen und des Speicherbedarfs beurteilt.
Zeitbedarf: 15 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Suchen von Daten in Listen und Arrays
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Karteiverwaltung |
2. Sortieren in Listen und Arrays - Entwicklung und Implementierung von iterativen und rekursiven Sortierverfahren
| ||
3. Untersuchung der Effizienz der Sortierverfahren „Sortieren durch direktes Einfügen“ und „Quicksort“ auf linearen Listen
|
Leitfragen: Wie können Fragestellungen mit Hilfe einer Datenbank beantwortet werden? Wie entwickelt man selbst eine Datenbank für einen Anwendungskontext?
Ausgehend von einer vorhandenen Datenbank entwickeln Schülerinnen und Schüler für sie relevante Fragestellungen, die mit dem vorhandenen Datenbestand beantwortet werden sollen. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wird die vorgegebene Datenbank von den Schülerinnen und Schülern analysiert und die notwendigen Grundbegriffe für Datenbanksysteme sowie die erforderlichen SQL-Abfragen werden erarbeitet.
In anderen Anwendungskontexten müssen Datenbanken erst noch entwickelt werden, um Daten zu speichern und Informationen für die Beantwortung von möglicherweise auftretenden Fragen zur Verfügung zu stellen. Dafür ermitteln Schülerinnen und Schüler in den Anwendungssituationen Entitäten, zugehörige Attribute, Relationen und Kardinalitäten und stellen diese in Entity-Relationship-Modellen dar. Entity-Relationship-Modelle werden interpretiert und erläutert, modifiziert und in Datenbankschemata überführt. Mit Hilfe von SQL-Anweisungen können anschließend im Kontext relevante Informationen aus der Datenbank extrahiert werden.
Ein Entity-Relationship-Diagramm kann auch verwendet werden, um die Entitäten inklusive ihrer Attribute und Relationen in einem vorgegebenen Datenbankschema darzustellen.
An einem Beispiel wird verdeutlicht, dass in Datenbanken Redundanzen unerwünscht sind und Konsistenz gewährleistet sein sollte. Die 1. bis 3. Normalform wird als Gütekriterium für Datenbankentwürfe eingeführt. Datenbankschemata werden hinsichtlich der 1. bis 3. Normalform untersucht und (soweit nötig) normalisiert.
Zeitbedarf: 24 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Nutzung von relationalen Datenbanken
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Video-Center Der obige Link führt zur Datenbank sowie näheren Informationen. Lesenswert ist auch die dort verlinkte „Dokumentation der Fallstudie” mit didaktischem Material, welches alternativ bzw. ergänzend zu der im Folgenden beschriebenen Durchführung verwendet werden kann.
Beispiel: Schulbuchausleihe |
2. Modellierung von relationalen Datenbanken
|
Beispiel: Fahrradverleih
Beispiel: Reederei
Beispiel: Buchungssystem Dazu ist die Datenbank zu modellieren, ggf. zu normalisieren und im Datenbanksystem umzusetzen. Weiter sollen sinnvolle Abfragen entwickelt werden. Das freie Buchungssystem MRBS (meeting room booking system) bietet neben der Software eine Demo, an Hand derer man erläutern kann, worum es in dem Projekt geht.
Beispiel: Schulverwaltung |
Leitfragen: Wie werden Daten in Netzwerken übermittelt? Was sollte man in Bezug auf die Sicherheit beachten?
Anschließend an das vorhergehende Unterrichtsvorhaben zum Thema Datenbanken werden der Datenbankzugriff aus dem Netz, Topologien von Netzwerken, eine Client-Server-Struktur, das TCP/IP-Schichtenmodell sowie Sicherheitsaspekte beim Zugriff auf Datenbanken und verschiedene symmetrische und asymmetrische kryptografische Verfahren analysiert und erläutert. Fallbeispiele zur Datenschutzproblematik und zum Urheberrecht runden das Unterrichtsvorhaben ab.
Zeitbedarf: 12 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Daten in Netzwerken und Sicherheitsaspekte in Netzen sowie beim Zugriff auf Datenbanken
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Materialien: |
| 2. Fallbeispiele zur Datenschutzproblematik und zum Urheberrecht |
Material: |
Leitfragen: Wie können Daten im Anwendungskontext mit Hilfe binärer Baumstrukturen verwaltet werden? Wie kann dabei der rekursive Aufbau der Baumstruktur genutzt werden? Welche Vor- und Nachteile haben Suchbäume für die geordnete Verwaltung von Daten?
Anhand von Beispielen für Baumstrukturen werden grundlegende Begriffe eingeführt und der rekursive Aufbau binärer Bäume dargestellt. Anschließend werden für eine Problemstellung in einem der Anwendungskontexte Klassen modelliert und implementiert. Dabei werden die Operationen der Datenstruktur Binärbaum thematisiert und die entsprechende Klasse BinaryTree (der Materialien für das Zentralabitur in NRW) der Vorgaben für das Zentralabitur NRW verwendet. Klassen und ihre Beziehungen werden in Entwurfs- und Implementationsdiagrammen dargestellt. Die Funktionsweise von Methoden wird anhand grafischer Darstellungen von Binärbäumen erläutert.
Unter anderem sollen die verschiedenen Baumtraversierungen (Pre-, Post- und Inorder) implementiert werden. Unterschiede bezüglich der Möglichkeit, den Baum anhand der Ausgabe der Bauminhalte via Pre-, In- oder Postorder-Traversierung zu rekonstruieren, werden dabei ebenfalls angesprochen, indem die fehlende Umkehrbarbeit der Zuordnung Binärbaum → Inorder-Ausgabe an einem Beispiel verdeutlicht wird.
Eine Tiefensuche wird verwendet, um einen in der Baumstruktur gespeicherten Inhalt zu suchen. Zu einer Problemstellung in einem entsprechenden Anwendungskontext werden die Operationen der Datenstruktur Suchbaum thematisiert und unter der Verwendung der Klasse BinarySearchTree (der Materialien für das Zentralabitur in NRW) weitere Klassen oder Methoden in diesem Anwendungskontext modelliert und implementiert. Auch in diesem Kontext werden grafische Darstellungen der Bäume verwendet.
Die Verwendung von binären Bäumen und Suchbäumen wird anhand weiterer Problemstellungen oder anderen Kontexten weiter geübt.
Zeitbedarf: 18 Stunden
Leitfragen: Wie kann man (endliche) Automaten genau beschreiben? Wie können endliche Automaten (in alltäglichen Kontexten oder zu informatischen Problemstellungen) modelliert werden? Wie können Sprachen durch Grammatiken beschrieben werden? Welche Zusammenhänge gibt es zwischen formalen Sprachen, endlichen Automaten und regulären Grammatiken?
Anhand kontextbezogener Beispiele werden endliche Automaten entwickelt, untersucht und modifiziert. Dabei werden verschiedene Darstellungsformen für endliche Automaten ineinander überführt und die akzeptierten Sprachen endlicher Automaten ermittelt. An einem Beispiel wird ein nichtdeterministischer Akzeptor eingeführt als Alternative gegenüber einem entsprechenden deterministischen Akzeptor.
Kontextbezogener Beispiele werden Grammatiken regulärer Sprachen entwickelt, untersucht und modifiziert. Der Zusammenhang zwischen regulären Grammatiken und endlichen Automaten wird verdeutlicht durch die Entwicklung von allgemeinen Verfahren zur Erstellung einer regulären Grammatik für die Sprache eines gegebenen endlichen Automaten bzw. zur Entwicklung eines endlichen Automaten, der genau die Sprache einer gegebenen regulären Grammatik akzeptiert.
Auch andere Grammatiken werden untersucht, entwickelt oder modifiziert. An einem Beispiel werden die Grenzen endlicher Automaten ausgelotet.
Zeitbedarf: 21 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Endliche Automaten
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Cola-Automat, Geldspielautomat Material: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator Unterrichtsvorhaben Q2.2 — Endliche Automaten, Formale Sprachen |
2. Untersuchung und Entwicklung von Grammatiken regulärer Sprachen
|
Beispiel: Reguläre Grammatik für Wörter mit ungerader Anzahl eines Buchstabens, Satzgliederungsgrammatik, Grammatik für Wörter, die bestimmte Zahlen repräsentieren, Akzeptor und Grammatik für Sprache aller durch zwei, drei, vier, ... teilbare Zahlen Beispiel: Reguläre Ausdrücke in einem Texteditor, Darstellung der Verknüpfungsoperationen regulärer Ausdrücke als Grammatik/Automat | |
| 3. Grenzen endlicher Automaten |
Beispiel: Klammerausdrücke, |
Leitfragen: Was sind die strukturellen Hauptbestandteile eines Computers und wie kann man sich die Ausführung eines maschinenahen Programms mit diesen Komponenten vorstellen? Welche Möglichkeiten bieten Informatiksysteme und wo liegen ihre Grenzen?
Anhand einer von-Neumann-Architektur und einem maschinennahen Programm wird die prinzipielle Arbeitsweise von Computern verdeutlicht.
Ausgehend von den prinzipiellen Grenzen endlicher Automaten liegt die Frage nach den Grenzen von Computern bzw. nach Grenzen der Automatisierbarkeit nahe. Mit Hilfe einer entsprechenden Java-Methode wird plausibel, dass es unmöglich ist, ein Informatiksystem zu entwickeln, dass für jedes beliebige Computerprogramm und jede beliebige Eingabe entscheidet ob das Programm mit der Eingabe terminiert oder nicht (Halteproblem). Anschließend werden Vor- und Nachteile der Grenzen der Automatisierbarkeit angesprochen und der Einsatz von Informatiksystemen hinsichtlich prinzipieller Möglichkeiten und prinzipieller Grenzen beurteilt.
Zeitbedarf: 12 Stunden
| Unterrichtssequenzen | Zu entwickelnde Kompetenzen | Beispiele, Medien, Materialien |
|---|---|---|
1. Von-Neumann-Architektur und die Ausführung maschinennaher Programme
|
Die Schülerinnen und Schüler
|
Beispiel: Addition von 4 zu einer eingegeben Zahl mit einem Rechnermodell Material: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator Unterrichtsvorhaben Q2.3 — Von-Neumann-Architektur und maschinennahe Programmierung |
2. Grenzen der Automatisierbarkeit
|
Beispiel: Halteproblem Material: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator Unterrichtsvorhaben Q2.3 — Halteproblem |
Unter Berücksichtigung des Schulprogramms und des Sozialcurriculums hat die Fachkonferenz Informatik des Max-Planck-Gymnasiums die folgenden fachmethodischen und fachdidaktischen Grundsätze beschlossen. In diesem Zusammenhang beziehen sich die Grundsätze 1 bis 14 auf fächerübergreifende Aspekte, die Grundsätze 15 bis 20 sind fachspezifisch angelegt.
Hinweis: Sowohl die Schaffung von Transparenz bei Bewertungen als auch die Vergleichbarkeit von Leistungen sind das Ziel, innerhalb der gegebenen Freiräume Vereinbarungen zu Bewertungskriterien und deren Gewichtung zu treffen.
Auf der Grundlage von §13 - §16 der APO-GOSt sowie Kapitel 3 des Kernlehrplans Informatik für die gymnasiale Oberstufe hat die Fachkonferenz des Max-Planck-Gymnasiums im Einklang mit dem entsprechenden schulbezogenen Konzept die nachfolgenden Grundsätze zur Leistungsbewertung und Leistungsrückmeldung beschlossen. Die nachfolgenden Absprachen stellen die Minimalanforderungen an das lerngruppenübergreifende gemeinsame Handeln der Fachgruppenmitglieder dar. Bezogen auf die einzelne Lerngruppe kommen ergänzend weitere der in den Folgeabschnitten genannten Instrumente der Leistungsüberprüfung zum Einsatz.
Bei der Formulierung von Aufgaben werden die für die Abiturprüfungen geltenden Operatoren des Faches Informatik schrittweise eingeführt, erläutert und dann im Rahmen der Aufgabenstellungen für die Klausuren benutzt.
Die Aufgabentypen, sowie die Anforderungsbereiche I-III sind entsprechend den Vorgaben in Kapitel 3 des Kernlehrplans zu beachten.
Die Bewertung der schriftlichen Leistungen in Klausuren erfolgt über ein Raster mit Hilfspunkten, die im Erwartungshorizont den einzelnen Kriterien zugeordnet sind.
Spätestens ab der Qualifikationsphase orientiert sich die Zuordnung der Hilfspunktsumme zu den Notenstufen an dem Zuordnungsschema des Zentralabiturs.
Von diesem kann aber im Einzelfall begründet abgewichen werden, wenn sich z.B. besonders originelle Teillösungen nicht durch Hilfspunkte gemäß den Kriterien des Erwartungshorizontes abbilden lassen oder eine Abwertung wegen besonders schwacher Darstellung (APO-GOSt §13 (2)) angemessen erscheint.
Die Note ausreichend (5 Punkte) soll bei Erreichen von 45% der Hilfspunkte erteilt werden.
Den Schülerinnen und Schülern werden die Kriterien zum Beurteilungsbereich „sonstige Mitarbeit“ zu Beginn des Schuljahres genannt.
Mündliche Leistungen
Praktische Leistungen am Computer
Sonstige schriftliche Leistungen
Die folgenden allgemeinen Kriterien gelten sowohl für die mündlichen als auch für die schriftlichen Formen der sonstigen Mitarbeit.
Die Bewertungskriterien stützen sich auf
Besonderes Augenmerk ist dabei auf
Bei Gruppenarbeiten auch auf
Bei Projektarbeit darüber hinaus auf
Die Grundsätze der Leistungsbewertung werden zu Beginn eines jeden Halbjahres den Schülerinnen und Schülern transparent gemacht. Leistungsrückmeldungen können erfolgen
Die Leistungsrückmeldung kann
erfolgen.
Die Fachkonferenz Informatik hat sich im Rahmen des Schulprogramms für folgende zentrale Schwerpunkte entschieden:
Im Informatikunterricht werden Kompetenzen anhand informatischer Inhalte in verschiedenen Anwendungskontexten erworben, in denen Schülerinnen und Schülern aus anderen Fächern Kenntnisse mitbringen können. Diese können insbesondere bei der Auswahl und Bearbeitung von Softwareprojekten berücksichtigt werden und in einem hinsichtlich der informatischen Problemstellung angemessenem Maß in den Unterricht Eingang finden.
Möglichst schon zweiten Halbjahr der Einführungsphase, spätestens jedoch im ersten Halbjahr des ersten Jahres der Qualifikationsphase werden im Unterricht an geeigneten Stellen Hinweise zur Erstellung von Facharbeiten gegeben. Das betrifft u. a. Themenvorschläge, Hinweise zu den Anforderungen und zur Bewertung. Es wird vereinbart, dass nur Facharbeiten vergeben werden, die mit der eigenständigen Entwicklung eines Softwareproduktes verbunden sind.
In der Einführungsphase wird im Rahmen des Unterrichtsvorhabens „Geschichte der digitalen Datenverarbeitung und die Grundlagen des Datenschutzes“ eine Exkursion zum Heinz Nixdorf MuseumsForum durchgeführt. Die außerunterrichtliche Veranstaltung wird im Unterricht vor- und nachbereitet.
Durch Diskussion der Aufgabenstellung von Klausuren in Fachdienstbesprechungen und eine regelmäßige Erörterung der Ergebnisse von Leistungsüberprüfungen wird ein hohes Maß an fachlicher Qualitätssicherung erreicht.
Das schulinterne Curriculum (siehe 2.1) ist zunächst bis 2017 für den ersten Durchgang durch die gymnasiale Oberstufe nach Erlass des Kernlehrplanes verbindlich. Erstmalig nach Ende der Einführungsphase im Sommer 2015, werden in einer Sitzung der Fachkonferenz Erfahrungen ausgetauscht und ggf. Änderungen für den nächsten Durchgang der Einführungsphase beschlossen, um erkannten ungünstigen Entscheidungen schnellstmöglich entgegenwirken zu können.
Nach Abschluss des Abiturs 2017 wir die Fachkonferenz Informatik auf der Grundlage ihrer Unterrichtserfahrungen eine Gesamtsicht des schulinternen Curriculums vornehmen und ggf. eine Beschlussvorlage für die erste Fachkonferenz des folgenden Schuljahres erstellen.