Schulinterner Lehrplan zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe am Gymnasium Theodorianum. Informatik. (Stand: )

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1 Schulinterner Lehrplan zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe am Gymnasium Theodorianum Informatik (Stand: ) 1

2 Inhalt Seite 1 Die Fachgruppe Informatik des Gymnasium Theodorianum Paderborn 3 2 Entscheidungen zum Unterricht Unterrichtsvorhaben Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben Konkretisierte Unterrichtsvorhaben Grundsätze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit Grundsätze der Leistungsbewertung und Leistungsrückmeldung 46 3 Entscheidungen zu fach- und unterrichtsübergreifenden Fragen 48 4 Qualitätssicherung und Evaluation 50 2

3 1 Die Fachgruppe Informatik des Gymnasium Theodorianum Paderborn Beim Gymnasium Theodorianum handelt es sich um eine vierzügige Schule im Zentrum von Paderborn mit zurzeit ca. 840 Schülerinnen und Schülern und 78 Lehrerinnen und Lehrern. Das Einzugsgebiet der Schule umfasst den größten Teil der Paderborner Innenstadt sowie umliegender Ortschaften. Im Bereich der Sekundarstufe II kooperiert das Theodorianum mit seinen Nachbarschulen (Pelizaeus- und Reismanngymnasium) und bietet mit ihnen zahlreiche gemeinsame Kurse an, unter anderem in Informatik. Das Fach Informatik wird am Gymnasium Theodorianum ab der Jahrgangsstufe 8 im Wahlpflichtbereich II (WP II) dreistündig unterrichtet und von etwa der Hälfte der Schülerinnen und Schüler besucht. In der zweijährigen Laufzeit dieser Kurse wird in altersstufengerechter Weise unter anderem auf Grundlagen der Algorithmik am Beispiel einer didaktischen Lernumgebung, auf die technische Informatik am Beispiel von Schaltwerken und Schaltnetzen, auf Robotik und Datenbanken eingegangen. Der Unterricht erfolgt dabei in enger Verzahnung mit Inhalten der Erdkunde, Biologie und Chemie. In den Jahrgangsstufen 5 wird im Rahmen des Biologieunterrichts der Umgang mit dem Rechnersystem geschult, was jedoch nicht unmittelbar dem Fach Informatik zuzuordnen ist. In der Sekundarstufe II bietet das Gymnasium Theodorianum für die eigenen Schülerinnen und Schüler in allen Jahrgangsstufen jeweils einen Grundkurs sowie in der Qualifikationsphase einen Leistungskurs in Informatik an. Zusätzlich wird für Schülerinnen und Schüler der Q2 ein Projektkurs in Kooperation mit der Universität Paderborn angeboten. Um insbesondere Schülerinnen und Schülern gerecht zu werden, die in der Sekundarstufe I keinen Informatikunterricht besucht haben, wird in Kursen der Einführungsphase besonderer Wert darauf gelegt, dass keine Vorkenntnisse aus der Sekundarstufe I zum erfolgreichen Durchlaufen des Kurses erforderlich sind. Der Unterricht der Sekundarstufe II wird mit Hilfe der Programmiersprache Java durchgeführt. In der Einführungsphase kommt dabei zusätzlich eine didaktische Bibliothek zum Einsatz, welche das Erstellen von Programmen erleichtert. 3

4 Durch projektartiges Vorgehen, offene Aufgaben und Möglichkeiten, Problemlösungen zu verfeinern oder zu optimieren, entspricht der Informatikunterricht der Oberstufe in besonderem Maße den Erziehungszielen, Leistungsbereitschaft zu fördern, ohne zu überfordern. Die gemeinsame Entwicklung von Materialien und Unterrichtsvorhaben, die Evaluation von Lehr- und Lernprozessen sowie die stetige Überprüfung und eventuelle Modifikation des schulinternen Curriculums durch die Fachkonferenz Informatik stellen einen wichtigen Beitrag zur Qualitätssicherung und -entwicklung des Unterrichts dar. Zurzeit besteht die Fachschaft Informatik des Gymnasium Theodorianum aus fünf Lehrkräften, denen drei Computerräume mit jeweils 16 Computerarbeitsplätzen zur Verfügung stehen. Alle Arbeitsplätze sind an das schulinterne Rechnernetz angeschlossen, so dass Schülerinnen und Schüler über einen individuell gestaltbaren Zugang zum zentralen Server der Schule alle Arbeitsplätze der drei Räume zum Zugriff auf ihre eigenen Daten, zur Recherche im Internet oder zur Bearbeitung schulischer Aufgaben verwenden können. Der Unterricht erfolgt im 45-Minuten-Takt. Die Kursblockung sieht grundsätzlich für Grundkurse eine Doppelstunde und eine Einzelstunde sowie für Leistungskurse ausschließlich Doppelstunden vor. 4

5 2 Entscheidungen zum Unterricht 2.1 Unterrichtsvorhaben Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben im schulinternen Lehrplan besitzt den Anspruch, sämtliche im Kernlehrplan angeführten Kompetenzen abzudecken. Dies entspricht der Verpflichtung jeder Lehrkraft, Schülerinnen und Schülern Lerngelegenheiten zu ermöglichen, so dass alle Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans von ihnen erfüllt werden können. Die entsprechende Umsetzung erfolgt auf zwei Ebenen: der Übersichtsund der Konkretisierungsebene. Im Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben (Kapitel 2.1.1) wird die für alle Lehrerinnen und Lehrer gemäß Fachkonferenzbeschluss verbindliche Verteilung der Unterrichtsvorhaben dargestellt. Das Übersichtsraster dient dazu, den Kolleginnen und Kollegen einen schnellen Überblick über die Zuordnung der Unterrichtsvorhaben zu den einzelnen Jahrgangsstufen sowie den im Kernlehrplan genannten Kompetenzen, Inhaltsfeldern und inhaltlichen Schwerpunkten zu verschaffen. Der ausgewiesene Zeitbedarf versteht sich als grobe Orientierungsgröße, die nach Bedarf über- oder unterschritten werden kann. Um Freiraum für Vertiefungen, besondere Schülerinteressen, aktuelle Themen bzw. die Erfordernisse anderer besonderer Ereignisse (z.b. Praktika, Kursfahrten o.ä.) zu erhalten, wurden im Rahmen dieses schulinternen Lehrplans ca. 75 Prozent der Bruttounterrichtszeit verplant. Während der Fachkonferenzbeschluss zum Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben zur Gewährleistung vergleichbarer Standards sowie zur Absicherung von Lerngruppenübertritten und Lehrkraftwechseln für alle Mitglieder der Fachkonferenz Bindekraft entfalten soll, beinhaltet die Ausweisung konkretisierter Unterrichtsvorhaben (Kapitel 2.1.2) Beispiele und Materialien, die empfehlenden Charakter haben. Referendarinnen und Referendaren sowie neuen Kolleginnen und Kollegen dienen diese vor allem zur standardbezogenen Orientierung in der neuen Schule, aber auch zur Verdeutlichung von unterrichtsbezogenen fachgruppeninternen Absprachen zu didaktisch-methodischen Zugängen, fächerübergreifenden Kooperationen, Lernmitteln und -orten sowie vorgesehenen Leistungsüberprüfungen, die im Einzelnen auch den Kapiteln 2.2 bis 2.3 zu entnehmen sind. Da in den folgenden Unterrichtsvorhaben Inhalte in der Regel anhand von Problemstellungen in Anwendungskontexten bearbeitet werden, werden in einigen Unterrichtsvorhaben jeweils mehrere Inhaltsfelder angesprochen. 5

6 2.1.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben Allgemeines Der Informatikunterricht in der Sekundarstufe II orientiert sich am Kernlehrplan für die Sek. II des Landes NRW, Endfassung lt. RdErl. v gültig ab Der Grundkurs der Einführungsphase bereitet den an den Vorgaben für das Zentralabitur in NRW ausgerichteten Unterricht der Qualifikationsphase vor. Die hier aufgereihten Inhalte und Kompetenzen legen in ihrer Auflistung keine obligatorische Reihenfolge für ihre unterrichtliche Behandlung fest. Im Gegenteil, es ist eher von einer Verzahnung der Themen und einem spiralförmigem Kompetenzerwerb auszugehen. Eingeführtes Lehrbuch: Thomas Kempe, Annika Löhr: Informatik, Schöningh-Verlag. 6

7 I) Einführungsphase Einführungsphase Unterrichtsvorhaben E-I Thema: Einführung in die Nutzung von Informatiksystemen und in grundlegende Begrifflichkeiten Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Informatiksysteme Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: Einzelrechner Dateisystem Internet Einsatz von Informatiksystemen Wirkungen der Automatisierung Unterrichtsvorhaben E-II Thema: Grundlagen der objektorientierten Analyse und Modellierung Zentrale Kompetenzen: Modellieren Darstellen und Interpretieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Zeitbedarf: 6 Stunden Zeitbedarf: 4 Stunden Unterrichtsvorhaben E-III Thema: Grundlagen der objektorientierten Programmierung und algorithmischer Grundstrukturen in Java Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Syntax und Semantik einer Programmiersprache Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen Zeitbedarf: 18 Stunden Unterrichtsvorhaben E-IV Thema: Modellierung und Implementierung von Klassen- und Objektbeziehungen Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Darstellen und Interpretieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Syntax und Semantik einer Programmiersprache Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen Zeitbedarf: 18 Stunden 7

8 Unterrichtsvorhaben E-V Thema: Such- und Sortieralgorithmen Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Darstellen und Interpretieren Inhaltsfeld: Algorithmen Inhaltliche Schwerpunkte: Algorithmen zum Suchen und Sortieren Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen Zeitbedarf: 12 Stunden Unterrichtsvorhaben E-VI Thema: Geschichte der automatischen Datenverarbeitung Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Darstellen und Interpretieren Inhaltsfelder: Informatik, Mensch und Gesellschaft Informatiksysteme Inhaltliche Schwerpunkte: Einzelrechner Geschichte der automatischen Datenverarbeitung Digitalisierung Zeitbedarf: 16 Stunden Summe Einführungsphase: 74 8

9 II) Qualifikationsphase (Q1 und Q2) - GRUNDKURS Qualifikationsphase Q1 Unterrichtsvorhaben Q1-I Thema: Wiederholung und Vertiefung der objektorientierten Modellierung Zentrale Kompetenzen: - Modellieren - Darstellen und Interpretieren - Implementieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Daten und ihre Strukturierung - Algorithmen Inhaltliche Schwerpunkte: - Objekte und Klassen Zeitbedarf: 8 Stunden Unterrichtsvorhaben Q1-III Thema: Algorithmen zum Suchen und Sortieren auf linearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Darstellen und Interpretieren - Modellieren - Implementieren Inhaltsfelder: - Algorithmen - Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: - Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten - Syntax und Semantik einer Programmiersprache Zeitbedarf: 14 Stunden Unterrichtsvorhaben Q1-II Thema: Organisation und Verarbeitung von Daten I Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen und linearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Argumentieren Inhaltsfelder: - Daten und ihre Strukturierung - Algorithmen Inhaltliche Schwerpunkte: - Objekte und Klassen - Syntax und Semantik einer Programmiersprache - Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten Zeitbedarf: 20 Stunden Unterrichtsvorhaben Q1-IV Thema: Endliche Automaten und formale Sprachen Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Darstellen und Interpretieren - Modellieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Formale Sprachen und Automaten - Informatiksysteme Inhaltliche Schwerpunkte: - Syntax und Semantik einer Programmiersprache - Endliche Automaten - Grammatiken regulärer Sprachen - Möglichkeiten und Grenzen von Automaten und formalen Sprachen Zeitbedarf: 20 Stunden 9

10 Unterrichtsvorhaben Q1-V Thema: Prinzipielle Arbeitsweise eines Computers und Grenzen der Automatisierbarkeit Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Informatiksysteme - Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: - Einzelrechner und Rechnernetzwerke - Grenzen der Automatisierung Zeitbedarf: 8 Stunden Summe Qualifikationsphase 1: 70 Stunden Unterrichtsvorhaben Q2-I Thema: Organisation und Verarbeitung von Daten II Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen nicht-linearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Darstellen und Interpretieren - Modellieren - Implementieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Daten und ihre Strukturierung - Algorithmen - Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: - Objekte und Klassen - Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten - Syntax und Semantik einer Programmiersprache Zeitbedarf: 20 Stunden Qualifikationsphase Q2 Unterrichtsvorhaben Q2-II Thema: Aufbau von und Kommunikation in Netzwerken Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Informatiksysteme - Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: - Einzelrechner und Rechnernetzwerke - Sicherheit - Nutzung von Informatiksystemen, Wirkungen der Automatisierung Zeitbedarf: 16 Stunden 10

11 Unterrichtsvorhaben Q2-III Thema: Nutzung und Modellierung von relationalen Datenbanken in Anwendungskontexten Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Daten und ihre Strukturierung - Algorithmen - Formale Sprachen und Automaten - Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: - Datenbanken - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten - Syntax und Semantik einer Programmiersprache - Sicherheit Zeitbedarf: 20 Stunden Unterrichtsvorhaben Q2-IV Wiederholung und Vertiefung ausgewählter Kompetenzen und Inhalte des ersten Jahrs der Qualifikationsphase Summe Qualifikationsphase 2: 56 Stunden 11

12 III) Qualifikationsphase (Q1 und Q2) LEISTUNGSKURS Qualifikationsphase Q1 Unterrichtsvorhaben Q1-I Thema: Wiederholung und Vertiefung der objektorientierten Modellierung und Programmierung anhand einer kontextbezogenen Problemstellung unter Berücksichtigung der Gestaltung einer Benutzungsoberfläche Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Daten und ihre Strukturierung - Algorithmen - Formale Sprachen und Automaten - Informatiksysteme Inhaltliche Schwerpunkte: - Objekte und Klassen - Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen - Syntax und Semantik einer Programmiersprache - Nutzung von Informatiksystemen Unterrichtsvorhaben Q1-II Thema: Organisation und Verarbeitung von Daten I Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen und linearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Daten und ihre Strukturierung - Algorithmen - Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: - Objekte und Klassen - Syntax und Semantik einer Programmiersprache - Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten Zeitbedarf: 25 Stunden Zeitbedarf: 15 Stunden Unterrichtsvorhaben Q1-III Thema: Implementierung, Analyse und Beurteilung von Such- und Sortierverfahren unterschiedlicher Komplexitätsklassen auf linearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Algorithmen - Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: - Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten - Syntax und Semantik einer Programmiersprache Unterrichtsvorhaben Q1-IV Thema: Organisation und Verarbeitung von Daten II Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen nicht-linearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Daten und ihre Strukturierung - Algorithmen - Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: - Objekte und Klassen - Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kon- 12

13 Zeitbedarf: 20 Stunden Unterrichtsvorhaben Q1-V Thema: Automaten und formale Sprachen sowie die Modellierung und Implementierung eines Parsers zu einer formalen Sprache Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: - Syntax und Semantik einer Programmiersprache - Endliche Automaten und Kellerautomaten - Grammatiken regulärer und kontextfreier Sprachen - Scanner, Parser und Interpreter für eine reguläre Sprache - Möglichkeiten und Grenzen von Automaten und formalen Sprachen texten - Syntax und Semantik einer Programmiersprache Zeitbedarf: 40 Stunden Zeitbedarf: 30 Stunden Summe Qualifikationsphase 1: 130 Stunden 13

14 Qualifikationsphase Q2 Unterrichtsvorhaben Q2-I Thema: Aufbau von und Kommunikation in Netzwerken sowie Modellierung und Implementierung von Client-Server-Anwendungen Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Informatiksysteme - Algorithmen Inhaltliche Schwerpunkte: - Einzelrechner und Rechnernetzwerke - Sicherheit - Nutzung von Informatiksystemen - Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten Zeitbedarf: 40 Stunden Unterrichtsvorhaben Q2-II Thema: Nutzung, Modellierung und Implementation von relationalen Datenbanken in Anwendungskontexten Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Modellieren - Implementieren - Darstellen und Interpretieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Daten und ihre Strukturierung - Algorithmen - Formale Sprachen und Automaten - Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: - Datenbanken - Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten - Syntax und Semantik einer Programmiersprache - Sicherheit Zeitbedarf: 40 Stunden Unterrichtsvorhaben Q2-III Thema: Prinzipielle Arbeitsweise eines Computers und Grenzen der Automatisierbarkeit Zentrale Kompetenzen: - Argumentieren - Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: - Informatiksysteme - Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: - Einzelrechner und Rechnernetzwerke - Grenzen der Automatisierung - Wirkungen der Automatisierung Zeitbedarf: 12 Stunden Unterrichtsvorhaben Q2-IV Summe Qualifikationsphase 1: 97 Stunden Wiederholung und Vertiefung ausgewählter Kompetenzen und Inhalte des ersten Jahrs der Qualifikationsphase 14

15 2.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben Im Folgenden sollen die im Unterkapitel aufgeführten Unterrichtsvorhaben konkretisiert werden. In der Qualifikationsphase werden die Unterrichtsvorhaben unter Berücksichtigung der Vorgaben für das Zentralabitur Informatik in NRW konkretisiert. Diese sind zu beziehen unter der Adresse (abgerufen: ) I) Einführungsphase Die folgenden Kompetenzen aus dem Bereich Kommunizieren und Kooperieren werden in allen Unterrichtsvorhaben der Einführungsphase vertieft und sollen aus Gründen der Lesbarkeit nicht in jedem Unterrichtsvorhaben separat aufgeführt werden: Die Schülerinnen und Schüler verwenden Fachausdrücke bei der Kommunikation über informatische Sachverhalte (K), präsentieren Arbeitsabläufe und -ergebnisse (K), kommunizieren und kooperieren in Gruppen und in Partnerarbeit (K), nutzen das verfügbare Informatiksystem zur strukturierten Verwaltung und gemeinsamen Verwendung von Daten unter Berücksichtigung der Rechteverwaltung (K). Unterrichtsvorhaben EF-I Thema: Einführung in die Nutzung von Informatiksystemen und in grundlegende Begrifflichkeiten Leitfragen: Womit beschäftigt sich die Wissenschaft der Informatik? Wie kann die in der Schule vorhandene informatische Ausstattung genutzt werden? 15

16 Vorhabenbezogene Konkretisierung: Das erste Unterrichtsvorhaben stellt eine allgemeine Einführung in das Fach Informatik und seine Teilbereiche dar. Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Überblick über die unterschiedlichen fachwissenschaftlichen Fragestellungen sowie die Inhaltsfelder des Informatikunterrichts der Sek II erlangen. Ferner wird eine Einführung in die Nutzung der konkreten Rechnerausstattung der Schule sowie in die Strukturen ihrer Vernetzung gegeben. Dabei wird insbesondere Wert auf einen verantwortungsvollen Umgang mit diesem System gelegt. Zeitbedarf: 4 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele, Medien, Materialien 1. Teilbereiche der Informatik praktische, theoretische, technische Informatik sowie Informatik und Gesellschaft 2. Einführung in die informatische Infrastruktur der Schule (a) Informatische Kommunikation in Rechnernetzen am Beispiel des Schulnetzwerks (z.b. Benutzeranmeldung, Netzwerkordner, Zugriffsrechte, Client-Server) (b) Richtlinien zum verantwortungsvollen Umgang mit dem Internet Die Schülerinnen und Schüler erkennen und beschreiben die Teilbereiche der Informatik sowie ihre typischen Problemstellungen (D), bewerten anhand von Fallbeispielen die Auswirkungen des Einsatzes von Informatiksystemen (A) nutzen die im Unterricht eingesetzten Informatiksysteme selbstständig, sicher, zielführend und verantwortungsbewusst (D), nutzen das Internet zur Recherche, zum Datenaustausch und zur Kommunikation (K), nutzen die im Unterricht eingesetzten Informatiksysteme selbstständig, sicher, zielführend und verantwortungsbewusst (D). Lehrbuch Folien z.b. Kunden- und Rabattkarten, Routenplaner,... Rechnerausstattung der Schule Lernstatt, Gruppenordner, Zarafa Intranet vpn-zugriff 16

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18 Unterrichtsvorhaben EF-II Thema: Grundlagen der objektorientierten Analyse und Modellierung Leitfrage: Was sind Klassen/Objekte? Wie werden sie durch Eigenschaften und Fähigkeiten charakterisiert? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Die Schülerinnen und Schüler sollen Klassen und Objekte aus ihrem realen Umfeld beschreiben, anwendungsbezogen reduzieren und in UML-Syntax darstellen. Sie erkunden in einer didaktischen Lernumgebung Objekte mit ihrer Identität und ihrem Zustand sowie Klassen mit ihren Attributen und Methoden. Zeitbedarf: 6 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele, Medien, Materialien 1. Modellierung und Beschreibung von Klassen und Objekten Die Schülerinnen und Schüler Lehrbuch Greenfoot (a) aus dem realen Umfeld (Buch, Auto, ermitteln bei der Analyse einfacher Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Objektdiagramme Konto, Pferd,...) Operationen und ihre Beziehungen (M), (b) in einer didaktischen Lernumgebung modellieren Klassen mit ihren Attributen, (z.b. greenfoot). Klassendiagramme ihren Methoden und Assoziationsbeziehungen (M). Entwurfsdiagramme 2. Vererbung (a) Das Grundprinzip der Vererbung analysieren und erläutern objektorientierte (b) Vorteile der Vererbungsbeziehung Modellierungen (A) dokumentieren Klassen, indem sie die Funktionalität der Attribute und Methoden beschreiben (D). 18

19 Unterrichtsvorhaben EF-III Thema: Grundlagen der objektorientierten Programmierung und algorithmischer Grundstrukturen in Java anhand von einfachen Animationen Leitfragen: Wie lassen sich Aktionen von Objekten flexibel realisieren? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Ein erster Schwerpunkt dieses Unterrichtsvorhabens liegt auf der Erarbeitung von Kontrollstrukturen. Algorithmische Wiederholung und bedingte Anweisung werden an einfachen Beispielen eingeführt und anschließend anhand komplexerer Problemstellungen erprobt. Da die zu entwickelnden Algorithmen zunehmend umfangreicher werden, werden systematische Vorgehensweisen zur Entwicklung von Algorithmen thematisiert. Ein zweiter Schwerpunkt liegt auf dem Einsatz von Variablen. Zunächst werden lokale Variable, die in Methoden und Zählschleifen zum Einsatz kommen, anschließend Variable in Form von Parametern und Rückgabewerten von Methoden behandelt. Zeitbedarf: 18 Stunden 19

20 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele, Medien, Materialien 1. Algorithmen (a) Wiederholungsanweisungen (vorprüfende und nachprüfende Schleifen) (b) bedingte Anweisungen (c) Verknüpfung von Bedingungen durch die logischen Funktionen UND, ODER und NICHT (d) Systematisierung des Vorgehens zur Entwicklung von Algorithmen zur Lösung komplexerer Probleme 2. Variablen und Methoden (a) Implementierung eigener Methoden mit lokalen Variablen, auch zur Realisierung einer Zählschleife (b) Implementierung eigener Methoden mit Parameterübergabe und/oder Rückgabewert (c) Implementierung von Konstruktoren (d) Realisierung von Attributen Die Schülerinnen und Schüler analysieren und erläutern einfache Algorithmen und Programme (A), entwerfen einfache Algorithmen und stellen sie umgangssprachlich und grafisch dar (M), ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen zu (M), ordnen Klassen, Attributen und Methoden ihren Sichtbarkeitsbereich zu (M), modifizieren einfache Algorithmen und Programme (I), implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I), implementieren Algorithmen unter Verwendung von Variablen und Wertzuweisungen, Kontrollstrukturen sowie Methodenaufrufen (I), implementieren einfache Algorithmen unter Beachtung der Syntax und Semantik einer Programmiersprache (I), testen Programme schrittweise anhand von Beispielen (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I). Lehrbuch, Arbeitsblätter Greenfoot 20

21 Unterrichtsvorhaben EF-IV Thema: Modellierung und Implementierung von Klassen- und Objektbeziehungen Leitfragen: Wie werden realistische Systeme anforderungsspezifisch reduziert, als Entwurf modelliert und implementiert? Wie kommunizieren Objekte und wie wird dieses dargestellt und realisiert? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Dieses Unterrichtsvorhaben hat die Entwicklung von Objekt- und Klassenbeziehungen zum Schwerpunkt. Dazu werden, ausgehend von realen Anforderungsdefinitionen, kleine Softwareprodukte in Teilen oder ganzheitlich Schritt für Schritt (Objektidentifizierung, Entwurf, Implementation) erstellt. Ausgehend von der Dekonstruktion und Erweiterung eines vorgegebenen Projektes wird ein weiteres Projekt von Grund auf modelliert und implementiert. Dabei können arbeitsteilige Vorgehensweisen zum Einsatz kommen. In diesem Zusammenhang kann auch das Erstellen von graphischen Benutzeroberflächen eingeführt werden. Zeitbedarf: 18 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele, Medien, Materialien 1. Analyse von Objekten und Klassen (a) Aus Anforderungsbeschreibungen werden Objekte mit ihren Eigenschaften identifiziert (b) Schritte der objektorientierten Analyse, Modellierung und Implementation (c) Analyse und Erprobung von vorgegebenen Implementationen (d) Analyse und Dekonstruktion eines Softwareprojektes z.b. eines Spiels (Modelle, Quelltext) Die Schülerinnen und Schüler analysieren und erläutern eine objektorientierte Modellierung, einfache Algorithmen und Programme (A), stellen die Kommunikation zwischen Objekten grafisch dar (M), ermitteln bei der Analyse einfacher Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), modellieren Klassen mit ihren Attributen, ihren Methoden und Assoziationsbeziehungen (M), Lehrbuch, Arbeitsblätter Tool zur Darstellung von UML-Diagrammen (z. B. Violet) BlueJ, Java-Editor o.ä. als Implementationsumgebung Teilimplementiertes Softwareprojekt (z.b. Würfelspiel) 21

22 2. Implementationsdiagramme als erster Schritt der Programmierung 22 (a) Erweiterung des Entwurfsdiagramms um Konstruktoren und get- und set- Methoden (b) Festlegung von Datentypen in Java, sowie von Rückgaben und Parametern (c) Entwicklung von Klassendokumentationen (d) Erstellung von Sequenzdiagrammen als Vorbereitung für die Programmierung (e) Modellierung eines eigenen Softwareprojekts aufgrund einer Anforderungsbeschreibung 3. Implementation von Klassen (a) Quelltext einer Java-Klasse analysieren (b) Implementation eigener Klassen mit Attributen und Methoden auf Basis zuvor erarbeiteter Dokumentationen (c) Geheimnisprinzip wird umgesetzt (d) Instanziierung von Objekten (e) Einzelne Klassen und das Gesamtsystem werden anhand der Anforderungen und Dokumentationen auf ihre Korrektheit überprüft. (f) Erweiterung des gegebenen Soft- entwerfen einfache Algorithmen und stellen sie umgangssprachlich und grafisch dar (M), ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen oder Objekttypen zu (M), ordnen Klassen, Attributen und Methoden ihren Sichtbarkeitsbereich zu (M), modellieren Klassen unter Verwendung von Vererbung (M), implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I), testen Programme schrittweise anhand von Beispielen (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), modifizieren einfache Algorithmen und Programme (I), stellen Klassen, Assoziations- und Vererbungsbeziehungen in Diagrammen grafisch dar (D), dokumentieren Klassen durch Beschreibung der Funktionalität der Methoden (D).

23 wareprojekts um weitere Funktionalitäten (g) (Arbeitsteilige) Implementation des eigenen Softwareprojekts auf Basis der Modellierung, ggf. einer grafischen Oberfläche Unterrichtsvorhaben EF-V Thema: Such- und Sortieralgorithmen Leitfrage: Wie können Objekte bzw. Daten effizient gesucht und sortiert werden? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Zunächst lernen die Schülerinnen und Schüler das Feld als eine erste Datensammlung kennen. Dann steht die Erarbeitung von einfachen Such- und Sortieralgorithmen im Vordergrund. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Algorithmen selbst und nicht auf deren Implementierung, die höchstens exemplarisch erstellt werden soll. Erste Effizienzbetrachtungen sollen intuitiv vorgenommen und bewertet werden. Zeitbedarf: 12 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele, Medien, Materialien Lehrbuch, Arbeitsblätter 1. Modellierung und Implementation von Datenansammlungen Die Schülerinnen und Schüler (a) Modellierung von Attributen als Felder (b) Deklaration, Instanziierung und Zugriffe auf ein Feld beurteilen die Effizienz von Algorithmen am Beispiel von Sortierverfahren hinsichtlich Zeit und Speicherplatzbedarf (A), entwerfen einen oder mehrere Algorithmen zum Suchen und Sortieren (M), analysieren Such- und Sortieralgorithmen z.b. BlueJ, Java-Editor o.ä. als Implementationsumgebung zu sortierende Materialien / Gegenstände (z.b. Karten) (Tracing-)Tabellen zur Verfahrensanalyse 23

24 2. Explorative Erarbeitung von Suchund Sortierverfahren und ihre exemplarische Implementation (a) Erkundung von Strategien für das Suchen auf unsortierten und sortierten Daten. (b) Erkundung von Strategien für das Sortieren von Daten. (c) Vergleich der Verfahren durch intuitive Effizienzbetrachtungen. (d) Exemplarische Implementation von Such- und Sortieralgorithmen und wenden sie auf Beispiele an (D), ordnen Attributen lineare Datenansammlungen zu (M), implementieren exemplarisch Such- und Sortieralgorithmen (I). Computer science unplugged Sorting Algorithms, URL: abgerufen: Beispiele: Sortieren durch Auswählen, Sortieren durch Einfügen, Sortieren durch Vertauschen. 3. Systematisierung von Algorithmen und Effizienzbetrachtungen (a) Umgangssprachliche Formulierung (falls selbst gefunden) oder Erläuterung von vorgegebenen Algorithmen (b) Anwendung von Sortieralgorithmen auf verschiedene Beispiele (c) Bewertung von Algorithmen anhand der Anzahl der nötigen Vergleiche und erste Effizienzbetrachtungen bezüglich der Rechenzeit und des Speicherplatzbedarfs 24

25 Unterrichtsvorhaben EF-VI Thema: Geschichte der automatischen Datenverarbeitung Leitfragen: Wie werden Daten codiert? Wie werden sie grundsätzlich verarbeitet und gespeichert? Wie ist die geschichtliche Entwicklung der EDV? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Die Schülerinnen und Schüler stellen bekannte analoge und digitale technische Systeme (Fernseher, Kommunikation, Musik, Fotographie,...) gegenüber. In diesem Zusammenhang soll eine geschichtliche Entwicklung der automatischen Datenverarbeitung erarbeitet werden (ab 20. Jhd.). Das Binärsystem als Abbildung von zwei Zuständen an und aus soll als grundlegendes Zahlsystem in der Datenverarbeitung erkannt werden. Des Weiteren soll der grundlegende Aufbau eines Rechnersystems im Sinne der Von-Neumann-Architektur erarbeitet werden. Zeitbedarf: 16 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele, Medien, Materialien 1. Gegenüberstellung von analogen und digitalen Systemen im geschichtlichen Kontext Die Schülerinnen und Schüler Lehrbuch: Exkurs Referate 2. Binäre Kodierung und ihre Anwendung (z.b. ASCII, UNICODE,...) erläutern wesentliche Grundlagen der Geschichte der digitalen Datenverarbeitung (A), Lehrbuch: Exkurs stellen ganze Zahlen und Zeichen in Binärcodes dar 3. Aufbau informatischer Systeme Know-how-Computer: (D), (a) Identifikation typischer Komponenten informatischer Systeme, Beschränkung auf das Wesentliche, Herleitung der Von-Neumann-Architektur interpretieren Binärcodes als Zahlen und Zeichen (D), beschreiben und erläutern den strukturellen Aufbau und die Arbeitsweise singulärer Rechner am Beispiel der Von-Neumann- 25

26 (d) EVA als Prinzip der Verarbeitung von Daten und als Grundlage der Von- Neumann-Architektur Architektur (A). 26

27 II) Qualifikationsphase GRUNDKURS Die folgenden Kompetenzen aus dem Bereich Kommunizieren und Kooperieren werden in allen Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase vertieft und sollen aus Gründen der Lesbarkeit nicht in jedem Unterrichtsvorhaben separat aufgeführt werden: Die Schülerinnen und Schüler verwenden die Fachsprache bei der Kommunikation über informatische Sachverhalte (K), nutzen das verfügbare Informatiksystem zur strukturierten Verwaltung von Dateien unter Berücksichtigung der Rechteverwaltung (K), organisieren und koordinieren kooperatives und eigenverantwortliches Arbeiten (K), strukturieren den Arbeitsprozess, vereinbaren Schnittstellen und führen Ergebnisse zusammen (K), beurteilen Arbeitsorganisation, Arbeitsabläufe und Ergebnisse (K), präsentieren Arbeitsabläufe und -ergebnisse adressatengerecht (K). Unterrichtsvorhaben Q1-I Thema: Wiederholung und Vertiefung der objektorientierten Modellierung Leitfragen: Wie modelliert und implementiert man zu einer Problemstellung in einem geeigneten Anwendungskontext Java-Klassen inklusive ihrer Attribute, Methoden und Beziehungen? Welche Rückschlüsse lassen sich aus einem informatischen Modell auf den Sachkontext ziehen? Wie kann ein gegebenes Modell geeignet erweitert werden? Vorhabenbezogene Konkretisierung: 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 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. 27

28 Zeitbedarf: 8 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele 1. Wiederholung der grundlegenden Konzepte der objektorientierten Programmierung (a) Analyse der Problemstellung (b) Analyse der Modellierung (Implementationsdiagramm) (c) Erweiterung der Modellierung im Implementationsdiagramm (Vererbung, abstrakte Klasse) (d) Kommunikation zwischen mindestens zwei Objekten (grafische Darstellung) (e) Dokumentation von Klassen (f) Implementierung der Anwendung oder von Teilen der Anwendung Die Schülerinnen und Schüler - analysieren und erläutern objektorientierte Modellierungen (A), - modellieren Klassen mit ihren Attributen, Methoden und ihren Assoziationsbeziehungen unter Angabe von Multiplizitäten (M), - ordnen Klassen, Attributen und Methoden ihre Sichtbarkeitsbereiche zu (M), - modellieren abstrakte und nicht abstrakte Klassen unter Verwendung von Vererbung durch Spezialisieren und Generalisieren (M), - nutzen die Syntax und Semantik einer Programmiersprache bei der Implementierung und zur Analyse von Programmen (I), - wenden eine didaktisch orientierte Entwicklungsumgebung zur Demonstration, zum Entwurf, zur Implementierung und zum Test von Informatiksystemen an (I), - stellen Klassen und ihre Beziehungen in Diagrammen grafisch dar (D), - dokumentieren Klassen (D), - stellen die Kommunikation zwischen Objekten grafisch dar (D), DoME-Projekt (Kölling) Vererbung, abstrakte Klassen, Datenstruktur Array Unterrichtsvorhaben Q1-II: 28

29 Thema: Organisation und Verarbeitung von Daten I Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen und linearen Datenstrukturen Leitfragen: Wie müssen Daten linear strukturiert werden, um in den gestellten Anwendungsszenarien eine beliebige Anzahl von Objekten verwalten zu können? Zeitbedarf: 20 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele 1. Die Datenstrukturen Schlange und Stapel im Anwendungskontext unter Nutzung der Klassen Queue und Stack a) Anordnungsprinzip (FIFO/LIFO) und Verkettungsprinzip b) Funktionalität und Aufbau der Klassen Queue und Stack c) Modellierung und Implementierung der Verknüpfung von Objekten d) Generische Typen Die Schülerinnen und Schüler - erläutern und begründen methodische Vorgehensweisen, Entwurfs- und Implementationsentscheidungen sowie Aussagen über Informatiksysteme (A) - konstruieren zu kontextbezogenen Problemstellungen informatische Modelle (M) - 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), - implementieren auf der Grundlage von Modellen oder Modellausschnitten Computerprogramme (I) - arbeitsteilige Erarbeitung der Grundprinzipien von Schlange und Stapel (Gruppenpuzzle) 29

30 2. Die Datenstruktur Liste (a) Erarbeitung der Vorteile der Klasse List im Gegensatz zu den bereits bekannten linearen Strukturen (b) Modellierung und Implementierung einer kontextbezogenen Anwendung unter Verwendung der Klasse List. - testen und korrigieren Computerprogramme (I) - interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), - überführen gegebene textuelle und grafische Darstellungen informatischer Zusammenhänge in die jeweils andere Darstellungsform (D) - stellen informatische Modelle und Abläufe in Texten, Tabellen, Diagrammen und Grafiken dar (D) - stellen lineare und nichtlineare Strukturen grafisch dar und erläutern ihren Aufbau (D) - modellieren Klassen mit ihren Attributen, Methoden und ihren Assoziationsbeziehungen unter Angabe von Multiplizitäten (M) - ordnen Klassen, Attributen und Methoden ihre Sichtbarkeitsbereiche zu (M) - dokumentieren Klassen (D) - implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I) Beispiel: Abfahrtslauf Bei einem Abfahrtslauf kommen die Skifahrer nacheinander an und werden nach ihrer Zeit in eine Rangliste eingeordnet. Diese Rangliste wird in einer Anzeige ausgegeben. Ankommende Abfahrer müssen an jeder Stelle der Struktur, nicht nur am Ende oder Anfang eingefügt werden können. Materialien:Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator Unterrichtsvorhaben Q1.2 Listen (Download Q1-II.2) Unterrichtsvorhaben Q1-III: Thema: Algorithmen zum Suchen und Sortieren auf linearen Datenstrukturen Leitfragen: Wie können mithilfe von Such- und Sortieralgorithmen Daten in linearen Strukturen effizient (wieder-)gefunden werden? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Zunächst wird das Prinzip der Rekursion an Beispielen veranschaulicht und gegenüber der Iteration abgegrenzt. Rekursive Algorithmen werden von den Schülerinnen und Schülern analysiert und selbst entwickelt. Dabei wird insbesondere die Strategie Teile und Herrsche explizit gemacht. In der zweiten Unterrichtssequenz geht es um die Frage, wie Daten in linearen Strukturen (lineare Liste und Array) (wieder-)gefunden werden können. Die lineare Suche als iteratives und die binäre Suche als rekursives Verfahren werden veranschaulicht und implementiert. Die Bewertung der Algorithmen erfolgt, indem jeweils die Anzahl der Vergleichsoperationen und der Speicherbedarf ermittelt wird. 30

31 Möchte man Daten effizient in einer linearen Struktur wiederfinden, so rückt zwangsläufig die Frage nach einer Sortierstrategie in den Fokus. Es wird mindestens ein iteratives und ein rekursives Sortierverfahren erarbeitet und implementiert sowie ihre Effizienz bewertet. Zeitbedarf: 20 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele 1. Rekursive Algorithmen a) Analyse und Entwicklung von rekursiven Algorithmen b) Strukturierung von Algorithmen mit Hilfe der Strategien Modularisierung und Teile und Herrsche 2. Suchen in Listen und Arrays a) Lineare Suche in Listen und Arrays b) Binäre Suche in einem Array c) Untersuchung der beiden Verfahren bzgl. Laufzeit und Speicherplatzbedarf Die Schülerinnen und Schüler - analysieren und erläutern Algorithmen und Programme (A), - modifizieren Algorithmen und Programme (I), - stellen iterative und rekursive Algorithmen umgangssprachlich und grafisch dar (D), - entwickeln iterative und rekursive Algorithmen unter Nutzung der Strategien Modularisierung und Teilen und Herrschen (M), - implementieren iterative und rekursive Algorithmen auch unter Verwendung von dynamischen Datenstrukturen (I), - testen Programme systematisch anhand von Beispielen (I). - implementieren und erläutern iterative und rekursive Suchund Sortierverfahren (I), - beurteilen die Effizienz von Algorithmen unter Berücksichtigung des Speicherbedarfs und der Zahl der Operationen (A), - beurteilen die syntaktische Korrektheit und die Funktionalität Lehrbuch: 4.2 Teile die Arbeit rekursive Algorithmen - Treppenbeispiel Lehrbuch: 4.3 Suchen iterativ und rekursiv - Computer Science Unplugged: Battleships 31

32 3. Sortieren auf Listen und Arrays a) Entwicklung und Implementierung eines iterativen Sortierverfahrens für eine Liste b) Entwicklung und Implementierung eines rekursiven Sortierverfahrens für ein Array c) Untersuchung der beiden Verfahren bzgl. Laufzeit und Speicherplatzbedarf von Programmen (A), - 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), 4.4 Sortieren iterativ und rekursiv - praktische Laufzeitanalyse und Darstellung als Graph (Excel) 32

33 Unterrichtsvorhaben Q1-IV: Thema: Endliche Automaten und formale Sprachen Leitfragen: Wie lassen sich reale Automaten durch ein Modell formal beschreiben? Wie kann die Art und Weise, wie ein Computer Zeichen (Eingaben) verarbeitet, durch Automaten dargestellt werden? Welche Eigenschaften besitzen Automaten und was können sie leisten? Wie werden sie dargestellt? Wie werden reguläre Sprachen durch eine Grammatik beschrieben? In welchem Verhältnis stehen endliche Automaten und Grammatiken? Welche Anwendungsfälle können durch endliche Automaten und Grammatiken regulärer Sprachen beschrieben werden und welche nicht? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Ausgehend vom Projekteinstieg Schatzinsel wird das formale Modell eines endlichen Automaten entwickelt. Die Beschreibung und Untersuchung realer Automaten in Form des Mealy-Automaten ergänzt die im Vordergrund stehenden erkennenden endlichen Automaten. Auf die Erarbeitung der Beschreibung folgt die Modellierung eigener Automaten, die zum Beispiel mit JFLAP visualisiert und getestet werden können. Dies erleichtert auch die Untersuchung vorgegebener Automaten und deren Verhalten bei bestimmten Eingaben. Hieraus werden die Sprache eines erkennenden Automaten abgeleitet, sowie dessen Grenzen aufgezeigt. Im Leistungskurs, oder auch zur Vertiefung im Grundkurs, können an dieser Stelle nicht deterministische Automaten und Kellerautomaten eingeführt werden. An den Themenkomplex Endliche Automaten schließt sich die Erarbeitung von Grammatiken regulärer Sprachen an. Die Untersuchung beginnt bei der Erschließung der formalen Beschreibung und wird mit der Entwicklung von Grammatiken zu regulären Sprachen fortgeführt. Hierbei wird auch die Beziehung von Grammatiken regulärer Sprachen zu endlichen Automaten an Beispielen erarbeitet und analysiert. Hierzu gehört auch die Untersuchung, welche Problemstellungen durch endliche Automaten und reguläre Grammatiken beschrieben werden können und welche nicht. Analog zu der Behandlung von Kellerautomaten können hier auch die kontextfreien Sprachen thematisiert werden. Zeitbedarf: 20 Stunden Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: 33

34 Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Kapitel und Materialien 1. Endliche Automaten a) Einführung in endliche Automaten über reale Zusammenhänge und Darstellungen von Übergangsgraphen b) Erarbeitung der formalen Beschreibung eines deterministischen endlichen Automaten (DEA) sowie dessen Darstellungsformen; Erschließung der Fachbegriffe Alphabet, Wort, (akzeptierte) Sprache, Determinismus c) Analyse der Eigenschaften von DEA durch die Modellierung eines Automaten zu einer gegebenen Problemstellung, der Modifikation eines Automaten sowie die Überführung der gegebenen Darstellungsform in eine andere d) Vergleich DEA und NEA, sowie deren Überführung (Umwandlung) (LK, optional GK) e) Einführung von Kellerautomaten, als DEA mit Gedächtnis (LK, optional GK) 2. Grammatiken regulärer Sprachen a) Erarbeitung der formalen Beschreibung einer regulären Grammatik (Sprache, Terminal und Nicht-Terminal, Produktionen und Produktionsvorschriften) b) Analyse der Eigenschaften einer regulären Grammatik durch deren Entwicklung und Modellierung zu einer gegebenen Problemstellung. 34 Die Schülerinnen und Schüler - stellen informatische Modelle und Abläufe in Texten, Tabellen, Diagrammen und Grafiken dar (D) - analysieren und erläutern die Eigenschaften endlicher Automaten einschließlich ihres Verhaltens bei bestimmten Eingaben (A) - ermitteln die Sprache, die ein endlicher Automat akzeptiert (D) - entwickeln und modifizieren zu einer Problemstellung endlicher Automaten (M) - stellen endliche Automaten in Tabellen und Graphen dar und überführen sie in die jeweils andere Darstellungsform (D) - (LK) analysieren NEA und überführen sie in einen DEA (M) - (LK) stellen Kellerautomaten in Tabellen und Graphen dar und überführen sie in die jeweils andere Darstellungsform (D) - entwickeln zur Grammatik einer regulären Sprache einen zugehörigen endlichen Automaten (M) - analysieren und erläutern Grammatiken regulärer Sprachen (A) - modifizieren Grammatiken regulärer Sprachen (M) - entwickeln zu einer regulären Sprache eine Grammatik, die die Sprache erzeugt (M) - entwickeln zur akzeptierten Sprache eines Automaten eine zugehörige Grammatik (M) optional: - entwickeln zur Grammatik einer kontextfreien Sprache einen zugehörigen endlichen Automaten (M) - analysieren und erläutern Grammatiken kontextfreier Sprachen (A) - modifizieren Grammatiken kontextfreier Sprachen (M) - entwickeln zu einer kontextfreien Sprache eine Grammatik, die die Sprache erzeugt (M) - entwickeln zur akzeptierten Sprache eines Kellerautomaten eine zugehörige Grammatik (M) - beschreiben an Beispielen den Zusammenhang zwischen Automaten und Gram- Vom realen Automaten zum Modell Projekteinstieg: Schatzsuche Der Mealy-Automat Der erkennende endliche Automat Wort und Sprache Grammatiken regulärer Sprachen

35 3. Übungen und Vertiefungen a) umfassende Übungen zu endlichen Automaten b) weiterführende Übungen zum Kellerautomaten c) ggf. Exkurs Turingmaschine matiken (D) - zeigen die Grenzen endlicher Automaten und regulärer Grammatiken auf Prüfungsvorbereitung Unterrichtsvorhaben Q1-V: Thema: Prinzipielle Arbeitsweise eines Computers und Grenzen der Automatisierbarkeit 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? Vorhabenbezogene Konkretisierung: 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 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Zu entwickelnde Kompetenzen Beispiele, Medien oder Materialien 1. Von-Neumann-Architektur und die Die Schülerinnen und Schüler Beispiel: 35