Informatik

Der Begriff Informatik bezeichnet die Wissenschaft von der syste­ma­tischen Darstellung, Ver­arbeitung, Übertragung und Speicherung von Information. Informatik­systeme haben heute viel­fältigen Einfluss auf unser Leben. Man denke nur an Handy-­Apps, Web-Shops, Smart Homes, Staub­sauger­roboter, satelliten­gesteuerte Land­maschinen, selbst­fahrende Autos, und, und, und…

Für eine kompetente und verantwortungsbewusste Nutzung solcher Systeme, und auch um prinzipielle Chancen und Risiken beurteilen zu können, ist ein grundlegendes Verständnis ihrer Wirkungsweise und Fähigkeiten erforderlich.

Form die Zukunft

Gleichzeitig wächst auf diesem zukunftsträchtigen (Arbeits-) Markt die Nachfrage nach Informatikern und Experten.

Hier kann der Informatikunterricht ein erster Schritt sein, um Neigungen zu erkennen, Vorbehalte abzubauen und Interesse zu wecken.

Informatik als (Wahl-)Fach wendet sich daher an alle, die einen "Blick unter die Haube" werfen wollen. Man muss also kein Computer-Nerd sein, um sich für Informatik zu entscheiden, sondern nur das Interesse und die Bereitschaft mitbringen, sich mit ganz unterschiedlichen Bereichen dieses Themen­gebietes auf der Konzeptebene wie auch praktisch am Computer auseinanderzusetzen.

Informatik in der Sekundarstufe I

Informatik kann in der Sekundarstufe I im Differenzierungsbereich für   zwei Jahre (Jahrgangsstufen 8/9) als Wahlpflichtfach belegt werden.

Vorkenntnisse sind hierfür nicht erforderlich und auch ein eigener PC   wird nicht vorausgesetzt, auch wenn natürlich beides nicht schadet. Einzig Interesse an der Auseinandersetzung mit wechselnden tech­nischen Inhalten und Freude am kreativen, aber auch systematischen Lösen von Aufgabenstellungen sollte vorhanden sein.

Informatik ist natürlich nicht nur ein "Jungsfach", sondern auch Mädchen sollten sich dies zu­trauen, da sie den Überschwang der Jungen häufig durch eine systematischere und struk­turiertere Arbeits­weise mehr als kompensieren.

Der Unterricht orientiert sich an den prozess- und inhaltsbezogenen Kompetenzen, die von der Gesellschaft für Informatik in den Bildungs­standards Informatik für die Sekundar­stufe I als Lernziele formuliert wurden. Es geht dabei nicht darum, sich durch Anwender­schulung z.B. zur Expertin / zum Experten für Textverarbeitung zu ent­wickeln, da dies kein Thema der Informatik ist, sondern um den Erwerb von Grundwissen in verschiedenen Gebieten der Daten­verarbeitung in einer altersstufen­gemässen Form.

Im Unterricht wird dies umgesetzt, indem in regelmäßigen Abständen ein Themen­wechsel stattfindet, sodass in ganz unterschiedliche Bereiche der Informatik "hinein­geschnuppert" werden kann. Inhaltlich bauen diese Themen nicht direkt aufeinander auf, was einen "Neustart" erleichtert, sollte einem einmal ein Themenbereich nicht so gelegen haben.

Ein typisches Spektrum an Themen, das auch einen besseren Einblick in die Bandbreite des Faches zum Ziel hat, finden Sie in der nach­folgenden tabellarischen Übersicht.

Sekundarstufe I  -  Themenübersicht
Tabellenkalkulation:
  • Strukturierung / Formatierung von Tabellen / Zellen mit Calc
  • Berechnung / Verknüpfung von Daten mit Formeln und Funktionen
  • Fehlervermeidung: Aufklapp­listen, Blattschutz, Gültigkeitsprüfung, ...
Grundlagen der Algorithmik:
  • Graphisches Programmieren durch Struktogramme mit Scratch
  • Kontrollstrukturen: Schleifen, Ver­zweigungen, Variablen, Ereignisse
  • Objektbasierung mit Kommunikation durch Nachrichtenaustausch
Zahlensysteme & Logikschaltungen:
  • Rechnen im Dualsystem, Zweier­komplement, Hexadezimalzahlen
  • Schaltnetze & Kombinatorik, Entwurf mittels Funktionstabellen, Addierer
  • Schaltwerke mit Speicherverhalten, Flip-Flops, Simulation mit LogiFlash
Grundlagen Datenbanken:
  • Grundstrukturen Relationaler Daten­banken: Tabellen und Abfragen
  • Entwurf & Realisierung einer Daten­bankanwendung mit Base
  • Beziehungen zwischen Tabellen, Schlüssel, Referentielle Integrität
Endliche Automaten:
  • Automaten im alltäglichen Umfeld
  • Modellierung mit Zustandsdiagrammen
  • Programmieren auf der Basis von Endlichen Automaten mit Kara
Entwurf von Web-Seiten:
  • Grundaufbau einer HTML-Seite
  • Elemente zur Strukturierung einer Seite, Textformate, Listen, Tabellen, Hyperlinks, Bilder
  • Design mittels Cascading Style Sheets (CSS)

Je nach Thema und Arbeitsphase findet dabei nicht nur Arbeit am Com­puter statt, auch wenn dies natürlich die Komponente mit dem größten Spaßfaktor ist und die Experimentierfreude und der Spieltrieb, der zur Informatik gehört, nicht zu kurz kommen dürfen. Da bisher in dieser Stufe je­doch kaum Schulbücher eingesetzt werden, sind gerade bei der Er­arbeitung von Grundlagenwissen im Plenum Aufzeichnungen im Heft erforderlich. Auch in den vorbereitenden Entwurfsphasen von Arbeiten am Rechner ist vielfach Arbeit im Heft gefordert.

Pro Halbjahr werden zwei schriftliche Arbeiten geschrieben, in denen die erworbenen Kompetenzen mit Blick auf die praktischen Fähigkeiten, aber auch die konzeptuellen Grundlagen des jeweiligen Themas überprüft werden.

Übungen & Anleitungen Sekundarstufe I

Üben Sie fortgeschrittene Funktionen in der Tabellenkalkulation:
Übungsblatt WENN-Funktion (OpenOffice Calc)
Übungsblatt SVERWEIS (OpenOffice Calc)
Lernen Sie das Rechnen im Dualsystem sowie die Grundstrukturen von Logik- und Speicherbausteinen eines Computers kennen:
Skript Zahlensysteme und Logische Schaltungen
Erwerben Sie Basiswissen für die Erstellung Ihrer eignen Web-Seite:
Online-Workshop HTML und Webseiten-Design Erweitert

Weitere Materialien finden Sie im Kursbereich.

Informatik in der Sekundarstufe II

In der Sekundarstufe II ist die Wahl des Faches Informatik, entweder als schriftliches oder als mündliches Fach bis zum Abitur, für alle Schüler­innen und Schüler möglich.

Eine vorhergehende Teilnahme an Informatik als Wahlpflichtfach in den Jahrgangsstufen 8 und 9 ist dafür keine Voraus­setzung.

Die Themenfelder in der Sekundar­stufe II sind durch den Kern­lehrplan Informatik vorgegeben und werden durch die Vorgaben für das Zentral­abitur für das jeweilige Schul­jahr inhaltlich präzisiert. Einen Überblick gibt die unten dargestellte tabellarische Zusammenfassung.

Hinsichtlich der Themen gibt es Über­schneidungen mit der Sekundarstufe I, die sich jedoch auf grundlegende Kon­zepte, z.B. der Algorithmik, be­schränken und die sich natürlich auch in der jahrgangs­stufen­gemässen inhaltlichen Gestaltung unterscheiden.

Ausser dem zentralen Aspekt eines Bei­trages zum Verständnis komplexerer Informatiksysteme verbindet die unter­schiedlichen Themenfelder der Sekundar­stufe II dabei die einheitliche Verwendung der Programmiersprache Java als Basis von Implementierungen auf dem Rechner (Ausnahmen: Automaten / Datenbanken). In der EF liegt der inhaltliche Fokus daher im wesentlichen auf den Grundlagen der Programmier­sprache Java in Verbindung mit dem objekt­orientierten Modellieren und Programmieren, worauf in der Q1 dann das Themenfeld Algorithmen und Daten­strukturen unmittelbar aufbaut.

Sekundarstufe II  -  Themenübersicht
Objektorientiertes Modellieren & Programmieren mit Java:
  • Einführung in BlueJ:
    Editor, Compiler, Debugger
  • Grundlagen der Algorithmik in Java:
    Sequenz, Schleifen, Verzweigungen, Datentypen, Variablen, Ereignisse
  • Objekte, Klassen, Attribute, Methoden, Datenkapselung
  • UML-Klassendiagramme
  • Beziehungen zwischen Klassen (Hat-/Kennt-/Ist-Relation)
  • Spezialisierung & Generalisierung, Polymorphie
Datenstrukturen & Algorithmen:
  • Felder, Schlange, Liste, Stapel
  • Such- und Sortieralgorithmen für lineare Datenstrukturen
  • Binärbaum & Anwendungen:
    Morse-/Huffmanncode, Backtracking
Automaten & Formale Sprachen
  • Deterministische Endliche Automaten in realen Anwendungen
  • Definition als Tupel mit Zustands­diagramm oder Automatentabelle
  • Mealy-Automat, Transduktor, Keller­automat, Turingmaschine, Akzeptor
  • Grammatiken & Reguläre Sprachen
Relationale Datenbanken:
  • Datenbanken im Anwendungskontext, Sichten, Architektur(en)
  • Schemaentwurf mit dem Entity-Relationship-Modell und Base
  • Normalisierung gemäß erster bis dritter Normalform
  • SQL-Abfragen & Relationenalgebra (Selektion, Projektion, Join, ...)
Informatiksysteme:
  • Datenbanken im Systemkontext
  • Client-/Server-Architektur & Netze
  • OSI-Schichtenmodell & Protokolle:
    TCP/IP, UDP, POP3/SMTP, HTTP
  • Rechnerstrukturen & Komponenten, Von-Neumann-Architektur
Kryptographie:
  • Transpositions- und Mono-/Poly­alphabetische Substitutions­verfahren, Skytale, Cäsar, Vigenere
  • Schlüsseltausch nach Diffie/Hellman
  • Public Key Chiffrierung, RSA- Algorithmus, SSL-Verschlüsselung
Informatik & Gesellschaft:
  • Wirkungen von Informatiksystemen
  • Sicherheit und Datenschutz

Übungen & Anleitungen Sekundarstufe II

Erwerben Sie Basiswissen für die Erstellung graphischer Benutzer­oberflächen mit Java:
Online-Workshop GUI-Programmierung mit AWT & Swing Neu

Weitere Materialien finden Sie im Kursbereich.

Beispielprogramme aus der Sekundarstufe II   Neu

Auch wenn im Unterricht der Fokus auf Strukturen und Algorithmen liegt, entstehen doch in verschiedenen Projekten vollständige Programme mit graphischer Benutzeroberfläche auf Basis des SekII-GUI-Baukastens, die einen praktischen Gebrauchswert haben.
Sie basieren auf der Programmier­sprache Java und haben die Form eines Java-Archivs (.jar-Datei), das nach dem Download auf den PC einfach durch einen Doppelklick auf die Datei gestartet werden kann.

Zum Download und selber ausprobieren nachfolgend Beispiele aus dem Bereich Verschlüsselungstechniken:

Verschlüsseln Sie private Nachrichten oder Notizen mit Ihrem eigenen Kryptographiesystem und sperren Sie unerwünschte Mitleser aus!   Einfach einen eigenen Schlüssel wählen, den Klartext eingeben und den ver­schlüsselten Text in die jeweilige Anwendung kopieren (z.B. Email oder WhatsApp, entschlüsseln umgekehrt).

Die symmetrische Verschlüsselung nach Vigenere bzw. mittels einer Strom-Chiffre gehört zu den klassischen Standardverfahren der "Vor-EDV-Zeit". Sie hat gegen­über aktuellen Public Key Systemen sicher­lich Ein­schränkungen vor allem bzgl. der Schlüsselsicherheit (Problem des Schlüsseltransfers), erscheint aber für Normalanwender ohne Experten­wissen und Werkzeuge allein aus Gründen des hohem Zeitaufwandes für einen brute force-Angriff als Schutz vor neugierigen Blicken geeignet.

Polyalphabetische Substitution nach Vigenere (ca. 1585)
Strom-Chiffre mit Linearer Kongruenz (ca. 1918)

Alternativ kann man auch mit Hilfe eines Morse-Dekoders ver- und entschlüsseln (dies ist gleichzeitig ein Beispiel für den effizienten Einsatz der nichtlinearen Datenstruktur Binärbaum in der Q1).

Ver-/Entschlüsseln mit Morse-Code (Samuel Morse, ca. 1840)

Abiturvorbereitung

Zur Vorbereitung auf das Zentralabitur ist es sinnvoll, sich neben dem selbstverständlich erforderlichen selbständigen Üben und Wiederholen des Unterrichtsstoffes auch mit den Vorgaben des Schulministeriums für das aktuelle Schuljahr sowie den Prüfungsaufgaben der vorhergehenden Jahre auseinanderzusetzen. Ziel bei letzterem sollte sein, nicht nur mit fachlichen Aspekten, sondern auch mit der Formulierung von Aufgaben­stellungen und insbesondere der Wahl der verwendeten fachsprachlichen Begriffe vertraut zu werden.

Die Vorgaben / Schwerpunktsetzung und auch die Aufgaben inklusive
der erwarteten Lösungen können hierzu von den Seiten des Schul­ministeriums NRW für das Fach Informatik heruntergeladen bzw. dort nachgelesen werden.

Für den Zugang zu den Aufgaben ist eine Anmeldung mit Schulnummer und Kennwort erforderlich. Diese Informationen bitte bei mir erfragen.

Der Informatikunterricht kann bisher nur in geringem Maße auf Schul­bücher zurückgreifen. Materialien aus dem Internet kommt daher eine besondere Bedeutung zu.

Hierzu gehören einerseits begleitende Materialien auf den Seiten der Hersteller der eingesetzten Werkzeuge (siehe Bereich Werkzeuge, im folgenden hier nicht mehr aufgelistet) und andererseits spezifische themenbezogene Seiten, die sowohl Basiswissen wie auch Vertiefungen eines Themas, z.B. als Grundlage für Referate, beinhalten.

Die folgende Sammlung von Verweisen hat sich im Unterricht bewährt. Sie stellt jedoch naturgemäß nur eine Momentaufnahme eines "moving target" ohne jeden Anspruch auf Vollständigkeit dar!

Schulinformatik  -  Themen und Anforderungen

Bildungsstandards Informatik Bildungsstandards Informatik für die Sekundar­stufe I   -   Empfehlungen der Gesellschaft für Informatik e. V., erarbeitet vom Arbeitskreis Bildungsstandards, 2008.

Kompetenzorientierte Formulierung von Inhalts- und Prozessbereichen mit dem Ziel, zeitgemäße informatische Bildung an Schulen zu fördern.

Kernlehrplan
Informatik Sek II
NRW
Kernlehrplan für die Sekundarstufe II an Gym­nasien und Gesamtschulen in NRW, gültig ab dem Schuljahr 2014/15.

Aufgaben / Ziele des Faches sowie kompetenz- und ergebnisorientiert formulierte Unterrichts­vorgaben für Inhalts- und Prozessbereiche, differenziert nach Grund- und Leistungskurs.

Informatik in der Schule Auf dieser Seite des Studienseminars für das Lehramt an Gymnasien in Kaiserslautern findet sich ein breitbandiges Spektrum an Themen, die in viele Aspekte und Konzepte der Informatik einführen. Der Grad der Ausarbeitung ist sehr unterschiedlich und in der Darstellung vielfach auf die Sekundarstufe I ausgerichtet.

Bietet neben fachlichen Inhalten eine gute Orientierungshilfe, was das Fach Informatik ausmacht.

Medienkompetenz  -  für Schüler und Eltern

Eltern sehen sich vielfach überfordert bei Fragestellungen, die sich rund um das Internet und die Mediennutzung ihrer Kinder ergeben. Auf den folgenden Seiten findet man nützliche Informationen und Hilfestellungen zu den Themen Soziale Netzwerke, Chat Rooms, Smartphones, etc.

www.klicksafe.de Eine Initiative der EU zur kompetenten und sicheren Nutzung des Internet. Informationen zum Privatsphärenschutz, Jugendschutz, Einstellungen von Facebook und Smartphone, Rechtsfragen, etc.
watchyourweb.de Eine Seite speziell für Jugendliche. Altersgerechte Informationen zu Themen wie Sicherheit in Social Communities, Datenschutz und Abzocke im Internet, Urheber­recht, Handysicherheit, etc.
irights.info irights.info ist eine Informationsseite zu grund­legenden Fragen des Internetrechtes ("Was tun bei Abmahnungen?", Urheberrecht bei Facebook-Inhalten / Filesharing / Streaming, Markenschutz bei Ebay und vielem mehr) wie auch ein Online-Magazin mit tagesaktuellen Berichten und Informationen.
schau-hin.info Eine Initiative des Bundesfamilienministeriums, die Eltern und Erziehende über aktuelle Ent­wicklungen elektronischer Medien, damit ver­bundene Gefahrenquellen und einen sicheren Umgang damit informiert. Dies beinhaltet praktische Hilfestellungen, z.B. für die Sicher­heitseinstellungen von Browser, Smartphone und Sozialen Netzwerken.

Webseitenerstellung mit HTML und CSS

Diese Webseite wurde ausschließlich mit den im Unterricht verwendeten Mitteln, HTML5 in Verbindung mit CSS3, sowie ein wenig JavaScript er­stellt (siehe Online-Kurs im SekI-Materialbereich). Dies hat einerseits viel Spaß gemacht und andererseits brauchen auch Informatiklehrer ab und an etwas praktische Übung...

SELFHTML Manual
SELFHTML wiki
In selfhtml findet man eine umfassende Ein­führung und Anleitung für das Erstellen von HTML-Seiten mit Cascading Style Sheets (CSS) und Scriptsprachen wie JavaScript und PHP. Auch Randbereiche der Webseitenerstellung wie Projektverwaltung und Internationalisierung werden behandelt.

Da die Dokumentation (2007) in die Jahre gekommen ist, erfolgt eine Überarbeitung im Rahmen des Wiki. Dieser enthält viele Ergänzungen, Referenzen und Tutorials.

Java und objektorientierte Modellierung / Programmierung

BlueJ Tutorial Ein Tutorial für die Anwendung von BlueJ (Einrichten von Projekten, Inspektor, Debugger, etc.) in deutscher Sprache direkt von den Autoren von BlueJ.
Java-Tutorial.org Ein Online-Tutorial für Java-Einsteiger, das sich auf Grundlegendes beschränkt. Kompakt und übersichtlich, als Nachschlagewerk während Programmierphasen im Unterricht gut geeignet.
Handbuch der Java-​Programmierung Ein empfehlenswertes Buch für alle, die tiefer in die Programmierung einsteigen wollen. Auch die Konzepte der OOP, wie Spezialisierung / Generalisierung, Polymorphismus, spätes Binden, Überladen, etc., werden behandelt.

Es geht deutlich über den Schulrahmen hinaus, zeichnet sich aber durch eine übersichtliche Struktur und einen sehr guten Index für eine schnelle und einfache Stichwortsuche aus.

Die HTML-Version des Buches inklusive des Quellcodes aller im Buch verwendeten Beispiele kann hier kostenlos heruntergeladen werden.

Datenbanken und SQL

SQL-Tutorial Ein Tutorial für SQL, das auch auf Datenbank­grundbegriffe und die Themen Primär- / Fremd­schlüssel, Beziehungen / Joins zwischen Tabellen sowie Tabellenstrukturierung anhand der ersten drei Normalformen eingeht.

Automatentheorie  -  Grundlagen der klassischen Informatik

Theoretische Informatik  -  Automaten und Sprachen Auf dieser Seite von Tino Hempel vom Richard-Wossidlo-Gymnasium in Ribnitz-Damgarten wird eine gut verständliche Übersicht über den gesamten Themenbereich aus der Perspektive der Schulinformatik gegeben. Dies beinhaltet verschiedene Automatentypen (Mealy / Moore-Automaten, Akzeptor, Kellerautomat, Turing­maschine) wie auch Grammatiken und eine Skizze der Chomsky-Hierarchie.

Dabei wird inhaltlich nach Grund- und Leistungskursniveau differenziert.

Automaten und Formale Sprachen Die Seite von Axel Wagner vom Saarpfalz-Gymnasium Homburg beinhaltet viele gute Materialien nicht nur zum Thema Automaten und Formale Sprachen, sondern auch zu weiteren Themen der theoretischen Informatik wie Betrachtungen zur Effizienz von Algorithmen und den Grenzen der Berechenbarkeit.

Ebenfalls zum Thema Kryptologie (s.u.) findet sich einiges.

Kryptologie  -  Die Wissenschaft vom Verschlüsseln

Kryptologie: Verschlüsselte Botschaften Auf dieser Seite von Hans-G. Mekelburg wird eine kompakte Übersicht der klassischen und der modernen Kryptographie gegeben sowie deren Einsatzmöglichenkeiten für die Computer- und Netzwerksicherheit betrachtet. Umfassend, mit gutem Glossar, für schulische Zwecke geeignet.
Einführung in die Kryptologie Auch im Skript von Tino Hempel werden Mono- und Polyalphabetische Verfahren sowie die Public-Key-Chiffrierung anhand RSA vorgestellt. Der Fokus liegt hier auf der Vermittlung der Prinzipien und der Analyse möglicher Schwach­stellen bzw. Angriffspunkte. Gut für schulische Zwecke geeignet.
OSZ Berlin
Bereich Informatik / Kryptologie
Auf den Seiten des Oberstufenzentrums Handel in Berlin befindet sich im Bereich Informatik / Kryptologie eine gute Übersicht über viele relevante Themenbereiche der Kryptologie.
Lauschen zwecklos!
RSA und seine zahlentheoretischen Grundlagen
In diesem Skript (pdf) der ETH Zürich und dem Institut für Mathematik der Humboldt-Universität Berlin werden zunächst die zahlentheoretischen Grundlagen übersichtlich und mit praktischen Beispielen erläutert und dann das RSA-Verfahren in gut nachvollziehbarer Weise dargestellt. Ins­besondere zur Vertiefung des Themas geeignet.

3D-Grafik mit POV-Ray

Kurztutorial.INFO Ein kompaktes Kurztutorial, das aber die grund­legenden Konzepte vermittelt und auch Klassen­bildung und das Erzeugen von Animationen durch Bildsequenzen behandelt.
WikiBooks-Tutorial Das Tutorial aus der Wikibooks-Bibliothek führt schrittweise und übersichtlich strukturiert in die Verwendung von POV-Ray ein. Für Einsteiger gut geeignet.
Beschreibungen und Beispiele zu POV-Ray Auf der Seite von Friedrich Lohmüller befindet sich ein umfassendes Tutorial, in dem in 27 Kapiteln ausgehend von Basistechniken auch fortgeschrittene Sachverhalte behandelt werden. Es ist gut strukturiert und beinhaltet eine Vielzahl von (Code-)Beispielen.

 

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