Bernhard Schriek: Informatik mit Java Eine Einführung mit BlueJ und der Bibliothek Stifte und Mäuse Band I

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1 Fach: Informatik Wochenstunden: drei Jahrgangsstufe: 10 (EF) Epochenunterricht: nein ja, wann: Grundlage für das Curriculum: Kernlernplan (G8) Richtlinien und Lehrplan für die Sek. I (G9) Richtlinien und Lehrpläne für die Sek. II andere: Materialien zu zentralen Abiturprüfungen Schwerpunkte unterrichtlicher Arbeit: Inhalte: Ablauf- und Objektorientierte Programmierung, Wahlthemen zum kennenlernen des Faches (Netzwerke, funktionale Programmierung, Datenbanken,...) Methoden: Unterschiedliche Sozialformen, praktische Arbeit am Rechner Unterrichtswerk / Materialien und Medien Lernbereiche / Kompetenzen Modellierung von Problemstellungen mit unterschiedlichen Modellierungswerkzeugen (Ablaufdiagramme, Klassendiagramm) Bernhard Schriek: Informatik mit Java Eine Einführung mit BlueJ und der Bibliothek Stifte und Mäuse Band I Leistungsbewertung / Klassenarbeitsform vier Klausuren, sonstige Mitarbeit umfasst Beiträge zum Unterrichtsgespräch, Programmierung am Rechner, schriftliche Übungen Individuelle Förderung Da das Leistungsniveau der Schülerinnen erfahrungsgemäß vor allem bei der Arbeit am Rechner sehr unterschiedlich ausgeprägt ist, werden speziell bei Programmieraufgaben individuell verschiedene Aufgaben gestellt, die die Schülerinnen angemessen fordern und fördern. Die leistungsstarken Schülerinnen werden zur Teilnahme an Wettbewerben und entsprechenden Angeboten der Universitäten (Düsseldorf, Dortmund) motiviert. Außerunterrichtliche Angebote Angebot zur Teilnahme an Wettbewerben Fächerverbindendes Arbeiten Es werden teilweise Aufgabenstellungen gewählt, die Bezüge zu anderen Fächern (Mathematik) haben.

2 Fach: Informatik Wochenstunden: drei Jahrgangsstufe: 11 (Q1) Epochenunterricht: nein ja, wann: Grundlage für das Curriculum: Kernlernplan (G8) Richtlinien und Lehrplan für die Sek. I (G9) Richtlinien und Lehrpläne für die Sek. II andere: Materialien zu zentralen Abiturprüfungen Schwerpunkte unterrichtlicher Arbeit: Inhalte: Grundlagen der Objektorientierten Programmierung (OOP), Zustandsorientierte Modellierung Methoden: Unterschiedliche Sozialformen, praktische Arbeit am Rechner Unterrichtswerk / Materialien und Medien Stifte und Mäuse Klassenbibliothek zur OOP Materialien zu den zentralen Abiturprüfungen (einschl. Quelltexte) Lernbereiche / Kompetenzen - Wiederholung der OOP - einfache Datentypen - lineare, abstrakte Datentypen - zustandsorientierte Modellierung (Automatentheorie) - Entwicklung von Netzwerkanwendungen Leistungsbewertung / Klassenarbeitsform vier Klausuren, oder eine Facharbeit und drei Klausuren sonstige Mitarbeit umfasst Beiträge zum Unterrichtsgespräch, Programmierung am Rechner, schriftliche Übungen Individuelle Förderung Da das Leistungsniveau der Schülerinnen erfahrungsgemäß vor allem bei der Arbeit am Rechner sehr unterschiedlich ausgeprägt ist, werden speziell bei Programmieraufgaben individuell verschiedene Aufgaben gestellt, die die Schülerinnen angemessen fordern und fördern. Die leistungsstarken Schülerinnen werden zur Teilnahme an Wettbewerben und entsprechenden Angeboten der Universitäten (Düsseldorf, Dortmund) motiviert. Außerunterrichtliche Angebote Angebot zur Teilnahme an Wettbewerben Exkursion zu einem ausgewählten Ziel mit der Möglichkeit sich über den Beruf / das Studium zu informieren Fächerverbindendes Arbeiten Es werden teilweise Aufgabenstellungen gewählt, die Bezüge zu anderen Fächern (Mathematik) haben.

3 Fach: Informatik Wochenstunden: drei Jahrgangsstufe: 12 (Q2) Epochenunterricht: nein ja, wann: Grundlage für das Curriculum: Kernlernplan (G8) Richtlinien und Lehrplan für die Sek. I (G9) Richtlinien und Lehrpläne für die Sek. II andere: Materialien zu zentralen Abiturprüfungen Schwerpunkte unterrichtlicher Arbeit: Inhalte: ausgewählte Schwerpunkte der aktuellen Forschung, die die Anwendung des bereits erlernten (Q1) ermöglichen und auf die zentralen Abiturprüfungen vorbereiten Methoden: Unterschiedliche Sozialformen, praktische Arbeit am Rechner, Informatikprojekt in kleinen Gruppen Unterrichtswerk / Materialien und Medien Stifte und Mäuse Klassenbibliothek zur OOP Materialien zu den zentralen Abiturprüfungen (einschl. Quelltexte) Lernbereiche / Kompetenzen - Relationale Datenbanken - Such und Sortieralgorithmen - Baumstrukturen - Kryptographie Leistungsbewertung / Klassenarbeitsform vier Klausuren, sonstige Mitarbeit umfasst Beiträge zum Unterrichtsgespräch, Programmierung am Rechner, schriftliche Übungen, Referate und projektorientierte Gruppenarbeiten Individuelle Förderung Da das Leistungsniveau der Schülerinnen erfahrungsgemäß vor allem bei der Arbeit am Rechner sehr unterschiedlich ausgeprägt ist, werden speziell bei Programmieraufgaben individuell verschiedene Aufgaben gestellt, die die Schülerinnen angemessen fordern und fördern. Die leistungsstarken Schülerinnen werden zur Teilnahme an Wettbewerben und entsprechenden Angeboten der Universitäten (Düsseldorf, Dortmund) motiviert. Außerunterrichtliche Angebote Angebot zur Teilnahme an Wettbewerben Fächerverbindendes Arbeiten Es werden teilweise Aufgabenstellungen gewählt, die Bezüge zu anderen Fächern (Mathematik) haben.

4 Lehrplan Informatik Sekundarstufe II Erzbischöfliche Schule Marienberg Gymnasium für Mädchen EINLEITUNG Das Fach Informatik am Gymnasium Marienberg hat zum Ziel die Schülerinnen in einer medial und digital vernetzten Welt zu befähigen selbstbestimmt und reflektiert Entscheidungen zu treffen, wenn Sie mit digitalen Medien, Geräten oder Netzen umgehen. Dabei beschränken sich die Lösungsansätze nicht auf die Arbeit mit Informatiksystemen, sondern die im Unterricht entwickelten Ideen zum Lösen von Problemen lassen sich auch in Kontexten, die nicht digitalisiert sind, anwenden. In der Gymnasialen Oberstufe wird das Fach Informatik im mathematisch-naturwissenschaftlichtechnischen Aufgabenfeld angeboten und kann bis zum Abitur belegt werden. Das Fach kann als Abiturfach im Rahmen der Vorgaben für die Abiturprüfung gewählt werden. Die Schülerinnen werden im Informatikunterricht auf die Anforderungen der universitären und außeruniversitären Ausbildung vorbereitet und in die Lage versetzt auch außerhalb von rein technisch orientierten Studienfächern bzw. Berufen die erworbenen Kompetenzen anzuwenden. Im Unterricht der gymnasialen Oberstufe werden die Richtlinien und der Lehrplan des Faches sowie die Vorgaben des Zentralabiturs umgesetzt. Ein deutlicher Schwerpunkt wird dabei auf die Konzepte der objektorientierten Programmierung gelegt. Vertieft wird diese Schwerpunktsetzung bei der Behandlung der abstrakten Datenstrukturen und der Netzwerkprogrammierung. Weitere Inhalte sind Bereiche der theoretischen Informatik und Datenbanken. EINFÜHRUNGSPHASE Die Einführungsphase bereitet die Schülerinnen auf den Informatikunterricht in der Qualifikationsphase der gymnasialen Oberstufe vor. Der Unterricht wird mit Hilfe des Lehrbuches Informatik mit Java. Eine Einführung mit BlueJ und der Bibliothek Stifte und Mäuse. (Schriek, Bernhard, 2006) gestaltet. Folgende Unterrichtsvorhaben sind in der Einführungsphase verbindlich: 1. Einführung in die Programmiersprache Java und die Entwicklungsumgebung BlueJ 2. Erstellung von einfachen Zeichnungen ohne Kontrollstrukturen 3. Zerlegung und Parametrisierung von Zeichnungsmethoden 4. Kontrollstrukturen Verzweigung und Schleife. Es sollen while- und for-schleifen behandelt werden. 5. Objekte und Klassen Attribute, Methoden, Beziehungen zwischen Klassen, Unterklassen, Vererbung, Klassendiagramme Weitere Unterrichtsvorhaben können aus den Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase gewählt und ohne abstrakte Datentypen behandelt werden. Dies soll den Schülerinnen einen Überblick über das Fach und damit mehr Sicherheit für die Kurswahlen zur Qualifikationsphase bzw. zum Abitur geben.

5 QUALIFIKATIONSPHASE 1. Einfache Datentypen und ihre Operationen sowie Algorithmen mit diesen Datentypen Die Datentypen Boolean, Integer, Double, Char sowie String mit ihren Operationen werden behandelt. Bei den Datentyp Boolean, Integer und Char werden zudem die Repräsentation der Werte im Binärsystem thematisiert. Für den Datentyp String werden gemäß den Materialien zu den zentralen Abiturprüfungen im Fach Informatik ab 2012 Java (Schulministerium NRW, 2012) die entsprechenden Methoden angewendet. Die Arbeit mit diesen einfachen Datentypen wird durch übersichtliche Algorithmen vertieft. Dabei können Algorithmen aus folgenden Bereichen behandelt werden: * Umwandlung von Dezimalzahlen in das Binärsystem und zurück * Auswertung von Zeichenketten * Mono- und Polyalphabetische Substitution (Kryptographie) 2. Abstrakte Datentypen Lineare Strukturen Die Linearen Strukturen Stack, Queue und List werden behandelt. Mit ihnen werden auch Sortier- und Suchalgorithmen thematisiert. Anhand folgender Gegenstände werden die Linearen Strukturen eingeführt: Stack: Waggons müssen auf drei Abstellgleisen bewegt und sortiert werden. Jedes Abstellgleis hat die Eigenschaften und Methoden eines Stacks. Jeder Waggon hat eine Ordnungsnummer und stellt ein Element dar, welches in einem Stack verwaltet werden kann. Queue: Kunden werden in einer Wartehalle mit mehreren Schaltern in einer Warteschlange verwaltet. Das Informatiksystem zur Verwaltung der Warteschlange wir mit einer Queue realisiert. List: Gäste, die zu einer Veranstaltung geladen sind, werden in einer Gästeliste- Anwendung verwaltet. Am Eingang werden die Gäste mit der Gästeliste abgeglichen. Ist der Gast auf der Gästeliste vermerkt, wird er in eine Warteschlange eingefügt. Handelt es sich um einen besonders wichtigen Gast, wird ihm sofort der Eintritt gewährt. Den Gästen in der Warteschlange wird nach dem FIFO-Prinzip der Eintritt gewährt, sobald die Veranstaltung weitere Gäste aufnehmen kann. Mit diesem Gegenstand können die unterschiedlichen Listenstrukturen verglichen werden und die Eignung für unterschiedliche Aufgaben thematisiert werden. Am Ende dieses Unterrichtsvorhabens können die Schülerinnen * die Methoden der abstrakten Datentypen anwenden, * Methoden der abstrakten Datentypen Stack und Queue implementieren sowie weitere Methoden ergänzen, * sequentielle Such- und Sortieralgorithmen (Insertionsort, Selectionsort) erklären und implementieren, * Typumwandlungen in der Programmiersprachen Java vornehmen und * Entwurfs- und Implementationsdiagramme entwickeln sowie Implementationsdiagramme implementieren. 3. Formale Sprachen und Automaten In diesem Unterrichtsvorhaben sollen die Schülerinnen lernen, dass einfache Computermodelle theoretisch entwickelt werden können und an diesen Modellen die Eigenschaften und Fähigkeiten analysiert werden können. Ausgehend von dem alltäglichen Gegenstand Getränkeautomat wird der Fünftupel eines Deterministische, Endlichen Automaten (DEA) entwickelt und an weiteren formalen Beispielen vertieft. Folgende Inhalte werden darauf aufbauend behandelt: * Nichtdeterministischen, Endliche Automaten (NEA) * Umwandlung von NEA in einen DEA * Reguläre Grammatiken (Mit der Unterscheidung in links- und rechtsreguläre

6 Grammatiken) * Kontextfreie Grammatiken Darüber hinaus können folgende Konzepte entwickelt werden: * Kellerautomat * Reguläre Ausdrücke 4. Netzstrukturen Die Client-Server-Struktur wird als eine exemplarische aber weit verbreitete Netzwerk- Topologie behandelt. Es werden das TCP-IP-Schichtenmodell und Netzwerkprotokolle thematisiert. Zunächst sollen die Schülerinnen Clients programmieren, die Netzwerkdienste (Time, Echo, QOTD...) nutzen. Anschließend sollen Serveranwendungen behandelt und implementiert werden. Dabei soll die im vorhergehenden Unterrichtsvorhaben entwickelte Zustandsmodellierung angewendet werden. Als ersten Server-Dienst wird eine Chat-Dienst implementiert. Weitere Client-Server-Systeme sollen zudem entwickelt werden und so der Inhalt dieses Unterrichtsvorhabens gesichert werden. Abschließend kann ein einfaches, zeichenorientiertes Netzwerkspiel modelliert und entwickelt werden. 5. Datenbanken Im inhaltlichen Schwerpunkt Datenbanken lernen die Schülerinnen als dritte Modellierungsmethode (Objektorientierte Modellierung, Zustandsmodellierung) die Datenorientierte Modellierung kennen. Dazu wird das Entity-Relationship Diagramm (ER- Diagramm) eingeführt. Ein ER-Diagramm wird in einem Datenbankschema mit Primär- und Fremdschlüsseln konkretisiert. Dabei wird die Umsetzung von Kardinalitäten in das Datenbankschema behandelt. Das Datenbankschema soll dann von den Schülerinnen in ein Datenbankmanagementsystem (DBMS) implementiert werden. Hier wird MySQL empfohlen, da dieses DBMS ohne überbordende Entwicklungsumgebung verwendet werden kann, zudem Datenbanksysteme in einem Netzwerk realisiert werden können und fakultativ Datenbankanwendungen abschließend mit Hilfe von PHP für HTTP-Projekte genutzt werden können. Als weiteres Thema innerhalb dieses Unterrichtsvorhabens werden SQL- Abfrageausdrücke analysiert und erstellt. Hierbei sind die Vorgaben aus den Materialien zu den zentralen Abiturprüfungen im Fach Informatik ab 2012 Java (Schulministerium NRW, 2012) maßgeblich. 6. Abstrakte Datenstrukturen Baumstrukturen Ausgehend vom ersten Unterrichtsvorhaben Abstrakte Datentypen Lineare Strukturen werden hier nichtlineare abstrakte Datentypen behandelt. Mit Hilfe von Bäumen können hierarchische Datenstrukturen abgebildet werden. Die besondere Baumstruktur Binärbaum mit der weiteren Spezialisierung in einen binären Suchbaum werden an geeigneten Beispielen (Morsebaum, Stammbaum, Visitenkarten in einem Suchbaum, Termbaum ) eingeführt. Mit Hilfe der Binärbäume werden die weiteren Aspekte Traversierung (Infix, Präfix und Postfix) und rekursive Algorithmen behandelt und implementiert. LERNERFOLGSÜBERPRÜFUNG UND LEISTUNGSBEWERTUNG Im Bereich sonstige Mitarbeit werden folgende Leistungen von den Schülerinnen erbracht und von der Lehrkraft bewertet: * Beiträge zum Unterrichtsgespräch * Schriftliche Übungen * Präsentation von Hausaufgaben * Implementation von Problemstellungen am Computer * Mitarbeit in Partner- bzw. Gruppenarbeitsphasen und Präsentation der Arbeitsergebnisse

7 * Referate In der Einführungsphase werden in jedem Halbjahr zwei Klausuren geschrieben, die jeweils die Dauer von zwei Unterrichtsstunden nicht übersteigen. Die Schülerinnen erhalten mit den Klausuren einen Einblick in die Anforderungen der Qualifikationsphase und eine Rückmeldung zum individuellen Leistungsstand. In der Qualifikationsphase werden gemäß 14 der APO-GOSt (Verordnung über den Bildungsgang und die Abiturprüfung in der gymnasialen Oberstufe, Schulministerium NRW, 1998) je zwei Klausuren im Halbjahr geschrieben. Im vierten Halbjahr wird nur eine Klausur geschrieben. Jede Klausur soll aus zwei kontextbezogenen Aufgaben bestehen. Die Teilaufgaben stehen in erkennbarem Sachzusammenhang und hängen nicht so stark voneinander ab, dass nachfolgende Teilaufgaben nur lösbar sind, wenn die vorhergehenden korrekt bearbeitet wurden.