Evolutionäre Strategien. Informatik Unterricht in der SII. ausreichende Programmierkenntnisse zur Implementierung der Evolutionären Strategien (ES)

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1 1 Voraussetzungen an den Kurs: ausreichende Programmierkenntnisse zur Implementierung der Evolutionären Strategien (ES) Kenntnisse über Sortierverfahren ggf. hilfreich Somit: idealer Zeitpunkt zur Durchführung der Sequenz: im Anschluss an die Betrachtung von Sortierverfahren 2 Themen der Unterrichtsreihe: Prinzipiell: Inhalte der Vorlesung von PD. Dr. habil Borschbach Evolutionäre Algorithmen Jedoch: didaktische Reduktion der Inhalte für den Informatik Unterricht in der SII 1

2 3 Deckung mit dem Lehrplan: Unmittelbar im Paradigma Analysieren und Bewerten verankert: Typische Einsatzbereiche, Möglichkeiten, Grenzen, Chancen und Risiken der Informations und Kommunikationssysteme untersuchen und einschätzen (Lehrplan Informatik SII / Seite 14) 4 Deckung mit dem Lehrplan: Algorithmen, Sprachkonzepte und Automatenmodelle beurteilen: den Algorithmenbegriff und den Begriff der Berechenbarkeit verstehen Grenzen von Verfahren und Methoden abschätzen ( ) Effizienzuntersuchungen durchführen (Lehrplan Informatik SII / Seite 14) 2

3 5 Deckung mit dem Lehrplan: Die Effizienzuntersuchung beschäftigt sich mit der Frage, mit welchem Aufwand an Rechenzeit und/oder Speicherplatz bestimmte algorithmische Aufgabenklassen gelöst werden können und ob deren Lösbarkeit an praktische Grenzen stößt. Sie bewahrt davor, mit unrealistischen Ansätzen und überzogenen Erwartungen an Probleme heranzugehen und dd dadurch hressourcen zu verschwenden. (Lehrplan Informatik SII / Seite 15) 6 Vorschlag einer Lernsequenz zum Thema Ausgewählte Gebiete der theoretischen Informatik Ebenfalls an den Rand des informatisch Machbaren führt eine Sequenz, die sich schwerpunktmäßig mit den technikunabhängigen Grenzen der Berechenbarkeit befasst. Schon in der Klasse der berechenbaren Funktionen stößt man auf beweisbar unlösbare Probleme. Eine elegante Variante des Berechenbarkeitsproblems ist schließlich das nicht entscheidbare Halteproblem für die universelle Turingmaschine, womit ein Grenzgebiet zwischen der Informatik, der Mathematik und der Philosophie angeleuchtet wird. (Lehrplan Informatik SII / Seite 35) 3

4 7 Chancen einer Unterrichtsreihe zu ES Grenzender Berechenbarkeitkönnenkönnen unmittelbarerfahren erfahren werden (siehe Einstiegsaufgabe der Reihe) Möglichkeiten zum fachübergreifenden Unterricht (theoretisch auch fächerverbindender Unterricht in Kooperation mit einem Biologie Kurs denkbar) Vorstellung eines nahezu universellen Ansatzes zur (approximativen) Lösung eines Problems 8 Chancen einer Unterrichtsreihe zu ES Möglichkeitenzur Integration von Referaten (z.b. Evolutionsablauf) Durchführung von Computer Experimenten: Analyse der Wirkung von Parameter Änderungen auf den Ablauf der ES Kennenlernen einer gänzlich neuen Art von Programmen (große Zufallssteuerung) fll Intuitives Erfahren von Konvergenz 4

5 Erster grober Entwurf einer Unterrichtsreihe: 9 1. Einstieg mit einer Problemstellung, deren Lösung bei kleiner Dimension berechenbar ist. 2. Erweiterung der Problemstellung: Vergrößerung der Dimension. 3. Analyse der Problemstellung 4. Biologisch Evolutionärer Exkurs 5. Transfer auf das Einstiegsproblem. Anwendung von ES zur Approximation (in kleiner wie in vergrößerter Dimension). 6. Implementierung / Analyse (Experimente) 7. Optional: Sicherung anhand eines weiteren Beispiels 8. Fazit / Vorstellung der realen Bedeutung von ES 1. Einstieg mit einer Problemstellung, deren Lösung bei kleiner Dimension berechenbar ist. (Arbeitsblatt 1) 10 Problem: Planung eines Neubaugebietes / geschickte Platzierung von zwei Häusertypen im Planungsraster. (Angelehnt an eine Aufgabe aus der zweiten Runde des Bundeswettbewerb Informatik) 5

6 11 Wasser: 3 Strom: 4 Haustyp Nr. 1 Wasser: 0 Strom: 2 Wasser: 3 Strom: 0 Haustyp Nr. 2 Wasser: 1 Strom: 0 Wasser: 1 Strom: 1 Wasser: 2 Strom: 1 Wasser: 0 Strom: 2 Wasser: 1 Strom: 3 Wasser: 3 Strom: 0 Wasser: 3 Strom: Einstieg mit einer Problemstellung, deren Lösung bei kleiner Dimension berechenbar ist. (Arbeitsblatt 1) Übliche Lösung der Schülerinnen und Schüler:? 6

7 13 2. Erweiterung der Problemstellung: Vergrößerung der Dimension. (Arbeitsblatt 2) Resultat...? Analyse der Problemstellung (einfache Komplexitätsuntersuchung / rudimentäre Laufzeitanalyse) 4. Biologisch Evolutionärer Exkurs (Arbeitsblatt 3 und teilweise 4) 5. Transfer auf das Einstiegsproblem. Anwendung von ES zur Approximation (in kleiner wie in vergrößerter Dimension). (Arbeitsblatt 4 und 5) 7

8 15 6. Implementierung / Analyse (Experimente) (Arbeitsblatt 6 8) 7. Optional: Sicherung anhand eines weiteren Beispiels (das fehlende Arbeitsblatt 9) 8. Fazit / Vorstellung der realen Bedeutung von ES 16 Rückblick auf die Unterrichtsreihe. Erreichte Lernziele / Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler erkennen anhand des Einstiegsbeispiels die Grenzen der Berechenbarkeit. Vor allen Dingen: den Schülerinnen und Schülern werden diese Grenzen da unmittelbar selbst erfahren bewusst. Durch die anschließende Analyse und weitere Beispiele wird den Schülerinnen und Schüler bewusst, dass es ähnliche Problemstellung von entsprechendem Komplexitätsgrad gibt. 8

9 17 Rückblick auf die Unterrichtsreihe. Erreichte Lernziele / Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler lernen ES zur Annäherung der Lösung solcher Probleme kennen. Vor allem: ES als allgemeiner Ansatz. ES als ein Verfahren mit vielen möglichen Parameter Einstellungen wird unmittelbar durch die Experimente erfahren. 18 Rückblick auf die Unterrichtsreihe. Erreichte Lernziele / Kompetenzen: Vielleicht auch: neue Sichtweise auf die Wissenschaft Informatik? 9

10 19 Ausblick: Weitere, vertiefende Aspekte der ES wären durch Adaption der entsprechenden Vorlesungsinhalte denkbar. Zum Beispiel: Rekombination von Individuen Komplexere Generationsübergänge Evolutionäre Algorithmen und Vieles mehr 20 Material zum Workshop: Arbeitsblätter Java Beispiel Implementierung unter Verwendung der Stifte und Mäuse Bibliotheken und BlueJ muenster.de/u/flyer Kontakt: muenster.de 10

11 21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 11