Schulinterner Lehrplan zum Kernlehrplan für die Qualifikationsphase Informatik

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1 Graf-Engelbert-Schule Schulinterner Lehrplan zum Kernlehrplan für die Qualifikationsphase Informatik

2 Zeitliche Einteilung und Themenabfolge Aus der unteren Tabelle geht die zeitliche Abfolge der zu behandelnden Themen hervor. Dabei wird ebenfalls der für die einzelnen Themen veranschlagte Zeitbedarf aufgeführt. Dieser ist jedoch nicht als bindende Größe sondern lediglich als Empfehlung zu verstehen, von der begründet abgewichen werden kann. Die zeitliche Übersicht stellt damit lediglich eine Orientierung für die Lehrkraft dar, die dem Zweck der Unterrichtsplanung und zeitlichen Einteilung dient. Die thematische Abfolge der Themen ist jedoch in der unten aufgeführten Form grundsätzlich bindend. Dabei kann jedoch eine teilweise Verschiebung von Themen in die jeweils nachfolgende Jahrgangsstufe aus zeitlichen Gründen erfolgen. Das Curriculum sowie die vorgenommene zeitliche Einteilung orientieren sich an den Bedürfnissen des Grundkurses. Eine Beschreibung des Leistungskurses findet nicht statt. Phase Thema Stunden Zeitbedarf Wochen Q1-I Lineare Datenstrukturen 21 7 Q1-II Suchen und Sortieren auf linearen Datenstrukturen 18 6 Q1-III Dynamische, nichtlineare Datenstrukturen 24 8 Q1-IV Relationale Datenbanken 24 8 Q2-I Sicherheit und Datenschutz in Netzstrukturen 15 5 Q2-II Endliche Automaten 21 7 Q2-III Prinzipielle Arbeitsweise eines Computers und Grenzen der Automatisierbarkeit 15 5 Im Weiteren werden die einzelnen Themenschwerpunkte aufgeführt und genauer erläutert. Dabei werden auch die zu erwerbenden Kompetenzen in den jeweiligen Teilgebieten aufgeführt (). Diese sind dem Kernlehrplan für die Sekundarstufe II für das Fach Informatik in NRW entnommen. In der Spalte werden die nebenstehenden Kompetenzbeschreibungen konkretisiert und erläutert. Es findet dort ebenfalls eine Schwerpunktsetzung der Themenbereiche statt. 2

3 Unterrichtsvorhaben Q1-I: Lineare Datenstrukturen 1. Die Datenstruktur Schlange (Klasse Queue) Analyse der Problemstellung, Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen Erarbeitung der Funktionalität der Klasse Queue Modellierung und Implementierung der Anwendung unter Verwendung eines oder mehrerer Objekte der Klasse Queue 2. Die Datenstruktur Stapel (Klasse Stack) erläutern Operationen dynamischer (linearer oder nicht-linearer) Datenstrukturen analysieren und erläutern Algorithmen und Programme beurteilen die syntaktische Korrektheit und die Funktionalität von Programmen ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen, Objekttypen sowie lineare und nichtlineare Datensammlungen zu (M), Analyse der Problemstellung, Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen Erarbeitung der Funktionalität der Klasse Stack Modellierung und Implementierung der Anwendung unter Verwendung eines oder mehrerer Objekte der Klasse Stack 3. Die Datenstruktur lineare Liste (Klasse List) Analyse der Problemstellung, Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen Erarbeitung der Funktionalität der Klasse List Modellierung und Implementierung der Anwendung unter Verwendung eines oder mehrerer Objekte der Klasse List ermitteln bei der Analyse von Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), modifizieren Algorithmen und Programme (I), implementieren iterative und rekursive Algorithmen auch unter Verwendung von dynamischen Datenstrukturen (I), nutzen die Syntax und Semantik einer Programmiersprache bei der Implementierung und zur Analyse von Programmen (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), testen Programme systematisch anhand von Beispielen (I), stellen lineare und nichtlineare Strukturen grafisch dar und erläutern ihren Aufbau (D). 3

4 Unterrichtsvorhaben Q1-II: Suchen und Sortieren auf linearen Datenstrukturen 1. Suchen von Daten in Listen und Arrays Benennen, Erläutern und Implementieren von Algorithmen zur linearen Suche in Listen und in Arrays Beschreibung und Implementierung eines Algorithmus zur binäre Suche in Arrays als Beispiel für rekursives Problemlösen Untersuchung der beiden Suchverfahren hinsichtlich ihrer Effizienz (Laufzeitverhalten, Speicherbedarf) 2. Sortieren in Listen und Arrays Entwicklung und Implementierung eines einfachen Sortierverfahrens für eine Liste Implementierung eines einfachen Sortierverfahrens für ein Array Entwicklung eines rekursiven Sortierverfahren für ein Feld (z.b. Sortieren durch Mischen) 3. Effizienzbetrachtung Grafische Veranschaulichung der Sortierverfahren Untersuchung der Anzahl der Vergleichsoperationen und des Speicherbedarf bei beiden Sortierverfahren Beurteilung der Effizienz der beiden Sortierverfahren analysieren und erläutern Algorithmen und Programme beurteilen die syntaktische Korrektheit und die Funktionalität von Programmen beurteilen die Effizienz von Algorithmen unter Berücksichtigung des Speicherbedarfs und der Zahl der Operationen entwickeln iterative und rekursive Algorithmen unter Nutzung der Strategien Modularisierung und Teilen und Herrschen (M), modifizieren Algorithmen und Programme (I), implementieren iterative und rekursive Algorithmen auch unter Verwendung von dynamischen Datenstrukturen (I), implementieren und erläutern iterative und rekursive Such- und Sortierverfahren (I), nutzen die Syntax und Semantik einer Programmiersprache bei der Implementierung und zur Analyse von Programmen (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), testen Programme systematisch anhand von Beispielen (I), stellen iterative und rekursive Algorithmen umgangssprachlich und grafisch dar (D). 4

5 Unterrichtsvorhaben Q1-III: Dynamische, nichtlineare Datenstrukturen 1. Analyse von Baumstrukturen Beschreibung der grundlegenden Begriffe Grad, Tiefe, Höhe, Blatt, Inhalt, Teilbaum, Ebene, Vollständigkeit Beschreiben und Nutzen von Aufbau und Darstellung von binären Bäumen 2. Die Datenstruktur (Klasse BinaryTree) Entscheidung, ob die Verwendung einer Baumstruktur für eine Anwendung sinnvoll ist Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen im Anwendungskontext Modellierung eines Entwurfsdiagramms und Entwicklung eines Implementationsdiagramms Erarbeitung der Klasse BinaryTree und beispielhafte Anwendung der Methoden (i.a. isempty, setobject, getobject, setlefttree, setrighttree, getlefttree, getrighttree) Implementierung der Anwendung oder von Teilen der Anwendung Traversierung eines Binärbaums im Pre-, In- und Postorderdurchlauf 3. Die Datenstruktur binärer Suchbaum (Klasse BinarySearchTree) Analyse der Problemstellung, Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen erläutern Operationen dynamischer (linearer oder nicht-linearer) Datenstrukturen analysieren und erläutern Algorithmen und Programme beurteilen die syntaktische Korrektheit und die Funktionalität von Programmen ermitteln bei der Analyse von Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen, Objekttypen sowie lineare und nichtlineare Datensammlungen zu (M), modellieren abstrakte und nicht abstrakte Klassen unter Verwendung von Vererbung durch Spezialisieren und Generalisieren (M), verwenden bei der Modellierung geeigneter Problemstellungen die Möglichkeiten der Polymorphie (M), entwickeln iterative und rekursive Algorithmen unter Nutzung der Konstruktionsstrategien Modularisierung und Teilen und Herrschen (M), implementieren iterative und rekursive Algorithmen auch unter Verwendung von dynamischen Datenstrukturen (I), modifizieren Algorithmen und Programme (I), nutzen die Syntax und Semantik einer Programmiersprache bei der Implementierung und zur Analyse von Programmen (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), 5

6 Modellierung eines Entwurfsdiagramms und Entwicklung eines Implementationsdiagramm, grafische Darstellung eines binären Suchbaums und Erarbeitung der Struktureigenschaften Erarbeitung der Klasse BinarySearchTree und Einführung des Interface I- tem zur Realisierung einer geeigneten Ordnungsrelation Implementierung der Anwendung oder von Teilen der Anwendung inklusive einer sortierten Ausgabe des Baums testen Programme systematisch anhand von Beispielen (I), stellen lineare und nichtlineare Strukturen grafisch dar und erläutern ihren Aufbau (D), stellen iterative und rekursive Algorithmen umgangssprachlich und grafisch dar (D). 6

7 Unterrichtsvorhaben Q1-IV: Relationale Datenbanken 1. Nutzung von relationalen Datenbanken Erläutern der Grundbegriffe Tabelle, Attribut, Datensatz, Datentyp, Primärschlüssel, Fremdschlüssel, Datenbankschema Nutzen SQL-Abfragen (SELECT (DISTINCT) FROM, WHERE, AND, OR, NOT) zur Informationsgewinnung Verknüpfen, Ordnen, Benennen von Tabellen mit Hilfe der Schlüsselworte (Natural) JOIN, UNION, AS, GROUP BY, ORDER BY, ASC, DESC, COUNT, MAX, MIN, SUM, Nutzen der Arithmetische Operatoren +, -, *, /, ( ) zur Formulierung von Datenbankabfragen Nutzen der Vergleichsoperatoren =, <>, >, <, >=, <=, LIKE, BETWEEN, IN, IS NULL zur Formulierung von Datenbankabfragen 2. Modellierung von relationalen Datenbanken Darstellung von Datenbanken mit Hilfe von Entity-Relationship-Diagramm Ermittlung von Entitäten und der zugehörigen Attribute, Relationen und Kardinalitäten in Anwendungssituationen Modellierung eines Datenbankentwurfs in Form eines Entity-Relationship-Diagramms Erläuterung und Modifizierung einer Datenbankmodellierung Entwicklung einer Datenbank aus einem Datenbankentwurf erläutern die Eigenschaften und den Aufbau von Datenbanksystemen unter dem Aspekt der sicheren Nutzung analysieren und erläutern die Syntax und Semantik einer Datenbankabfrage analysieren und erläutern eine Datenbankmodellierung erläutern die Eigenschaften normalisierter Datenbankschemata bestimmen Primär- und Sekundärschlüssel (M), ermitteln für anwendungsbezogene Problemstellungen Entitäten, zugehörige Attribute, Relationen und Kardinalitäten (M), modifizieren eine Datenbankmodellierung (M), modellieren zu einem Entity-Relationship-Diagramm ein relationales Datenbankschema (M), bestimmen Primär- und Sekundärschlüssel (M), überführen Datenbankschemata in vorgegebene Normalformen (M), verwenden die Syntax und Semantik einer Datenbankabfragesprache, um Informationen aus einen Datenbanksystem zu extrahieren (I), ermitteln Ergebnisse von Datenbankabfragen über mehrere verknüpfte Tabellen (D), stellen Entitäten mit ihren Attributen und die Beziehungen zwischen Entitäten in einem Entity-Relationship-Diagramm grafisch dar (D), 7

8 Modellierung eines relationalen Datenbankschematas zu einem Entity- Relationship-Diagramm inklusive der Bestimmung von Primär- und Sekundärschlüsseln Erläuterung der Begriffe Redundanz, Konsistenz und Normalformen Untersuchung einer Datenbank hinsichtlich Konsistenz und Redundanz Überprüfung von Datenbankschemata hinsichtlich der 1. bis 3. Normalform und Normalisierung (um Redundanzen zu vermeiden und Konsistenz zu gewährleisten) überprüfen Datenbankschemata auf vorgegebene Normalisierungseigenschaften (D). 8

9 Unterrichtsvorhaben Q2-I: Sicherheit und Datenschutz in Netzstrukturen 1. Daten in Netzwerken und Sicherheitsaspekte in Netzen sowie beim Zugriff auf Datenbanken Beschreibung eines Datenbankzugriffs im Netz anhand eines Anwendungskontextes und einer Client-Server-Struktur zur Klärung der Funktionsweise eines Datenbankzugriffs Beschreibung und Erläuterung von Netztopologien als Grundlage von Client-Server-Strukturen und TCP/IP-Schichtenmodell als Beispiel für eine Paketübermittlung in einem Netz. Beschreibung, Erläuterung und kritische Reflexion von Vertraulichkeit, Integrität, Authentizität in Netzwerken. Symmetrische und asymmetrische kryptografische Verfahren (Cäsar-, Vigenère-, RSA-Verfahren) als Methoden Daten im Netz verschlüsselt zu übertragen beschreiben und erläutern Topologien, die Client-Server-Struktur und Protokolle sowie ein Schichtenmodell in Netzwerken analysieren und erläutern Eigenschaften und Einsatzbereiche symmetrischer und asymmetrischer Verschlüsselungsverfahren untersuchen und bewerten anhand von Fallbeispielen die Auswirkungen des Einsatzes von Informatiksystemen, die Sicherheit von Informatiksystemen sowie die Einhaltung der Datenschutzbestimmungen und des Urheberrechts untersuchen und bewerten Problemlagen, die sich aus dem Einsatz von Informatiksystemen ergeben, hinsichtlich rechtlicher Vorgaben, ethischer Aspekte und gesellschaftlicher Werte unter Berücksichtigung unterschiedlicher Interessenlagen 2. Fallbeispiele zur Datenschutzproblematik und zum Urheberrecht Bewertung und Diskussion von konkreten Fällen anhand des Urheberund Datenschutzrechts. nutzen bereitgestellte Informatiksysteme und das Internet reflektiert zum Erschließen, zur Aufbereitung und Präsentation fachlicher Inhalte (D). 9

10 Unterrichtsvorhaben Q2-II: Endliche Automaten 1. Endliche Automaten Erläutern der Begriffe endlicher Automat, (akzeptierte/formale/reguläre) Sprache, (reguläre) Grammatik und Darstellen der Zusammenhänge zwischen diesen Begriffen Analyse, Modifikation und Entwicklung von endlichen Automaten Analyse und Ermittlung von Eingaben und der akzeptierten Sprache endlicher Automaten Modifikation und Entwicklung reguläre Sprachen und regulärer Grammatiken zu Anwendungsbeispielen Beschreibung einer Formale Sprachen Darstellung endlicher Automaten als Tabelle und Graph 2. Untersuchung und Entwicklung von Grammatiken regulärer Sprachen Erarbeitung der formalen Darstellung regulärer Grammatiken Untersuchung, Modifikation und Entwicklung von Grammatiken Entwicklung von endlichen Automaten zum Erkennen regulärer Sprachen die durch Grammatiken gegeben werden Entwicklung regulärer Grammatiken zu endlichen Automaten 3. Grenzen endlicher Automaten Benennen und Beschreiben von Grenzen endlicher Automaten analysieren und erläutern die Eigenschaften endlicher Automaten einschließlich ihres Verhaltens auf bestimmte Eingaben analysieren und erläutern Grammatiken regulärer Sprachen zeigen die Grenzen endlicher Automaten und regulärer Grammatiken im Anwendungszusammenhang auf ermitteln die formale Sprache, die durch eine Grammatik erzeugt wird entwickeln und modifizieren zu einer Problemstellung endliche Automaten (M), entwickeln zur akzeptierten Sprache eines Automaten die zugehörige Grammatik (M), entwickeln zur Grammatik einer regulären Sprache einen zugehörigen endlichen Automaten (M), modifizieren Grammatiken regulärer Sprachen (M), entwickeln zu einer regulären Sprache eine Grammatik, die die Sprache erzeugt (M), stellen endliche Automaten in Tabellen oder Graphen dar und überführen sie in die jeweils andere Darstellungsform (D), ermitteln die Sprache, die ein endlicher Automat akzeptiert (D). beschreiben an Beispielen den Zusammenhang zwischen Automaten und Grammatiken (D). 10

11 nterrichtsvorhaben Q2-III: Prinzipielle Arbeitsweise eines Computers und Grenzen der Automatisierbarkeit 1. Von-Neumann-Architektur und die Ausführung maschinennaher Programme Von Neumann-Architektur mit CPU (inkl. Rechenwerk, Steuerwerk, Register und Hauptspeicher) Kennen und nutzen einiger exemplarischer maschinennaher Befehle und ihre Repräsentationen in einem Binär-Code erläutern die Ausführung eines einfachen maschinennahen Programms sowie die Datenspeicherung auf einer Von-Neumann-Architektur untersuchen und beurteilen Grenzen des Problemlösens mit Informatiksystemen (A). Analyse und Erläuterung der Funktionsweise eines einfachen maschinennahen Programms 2. Grenzen der Automatisierbarkeit Vorstellung des Halteproblems und Betrachtung der Unlösbarkeit Beurteilung des Einsatzes von Informatiksystemen hinsichtlich prinzipieller Möglichkeiten und prinzipieller Grenzen 11

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