Kurs Fachwissenschaft Informatische Bildung

In dem ersten Modulteil "Fachwissenschaft Informatische Bildung" lernen die Studierenden grundlegende Inhalte kennen und erlangen Grundkompetenzen in den Bereichen der Informatik und der Medienbildung. Dadurch sollen sie gerüstet sein, als Primarschul-Lehrpersonen ihre Schülerinnen und Schüler im Unterricht fachkundig zu begleiten. Ein zentrales Element dieses Kurses ist die Vermittlung des Konzepts und der Anwendung von Computational Thinking - das Denken, um mit dem Computer Probleme zu lösen. Dazu gehört auch, dass Studierende Grundkenntnisse im Programmieren erwerben.

Folgende Kompetenzen werden aufgebaut. Die Studierenden...

• lernen den Computational Thinking-Prozess im Sinne von Problemformulierung (Abstraktion), Repräsentation von Lösungen (Automation), Ausführung und Bewertung von Lösungen (Analyse) kennen und können diesen im Rahmen eigener Projekte und verschiedener Kontexte anwenden.
• entwickeln anhand von konkreten Beispiele kleine Programme. Mit Computer Science Unplugged werden erste Gehversuche ohne Computer gemacht. In grafischen Programmierumgebungen (Block-Programmierung) erzeugen sie funktionierende Computerspiele und Simulationen, bevor sie mit textbasiertem Code noch etwas tiefer in die Funktionsweise von Computern hineinsehen.
• betrachten das Konzept von Computational Thinking im Kontext anderer Fachbereiche.
• kennen die gesellschaftliche Relevanz der Informatik und digitaler Medien und können ihre Auswirkung in unterschiedliche Lebensbereichen nachvollziehen (z.B. Wissenschaft, Wirtschaft, Kunst).
• können digitale Inhalte produzieren und reflektieren deren Nutzung, Bedeutung und die Wirkung kritisch.

Die 7 grossen Themen in den Veranstaltungen

Die Grundstruktur des Kurses ist zentral durch die 7 grossen Themen der Informatik geprägt, die inhaltlich den roten Faden der 14-wöchigen Veranstaltungsreihe bilden. Jeder der 7 Themenbereiche wird jeweils innerhalb von zwei Wochen (d.h. 2 Veranstaltungen zu je 2 Semesterwochenstunden) behandelt. Die 7 grossen Themen spielen in Feinabstimmung auf die Kompetenz-Ziele des Lehrplans 21 eine wichtige Rolle hinsichtlich des Konzepts und insbesondere auch der Inhalte beider Kurse des Moduls.

Die 7 grossen Themen basieren auf den 7 BIG IDEAS des AP Computer Science Principle-Kurses. Dieser Kurs wurde erstellt von der renommierten US-Amerikanischen Non-profit-Organisation The College Board, deren Ziel es ist, junge Menschen durch AP (d.h. Advanced Placement)-Kurse in verschiedenen Fachbereichen gezielt auf ein Studium vorzubereiten.]]

Kreativität

"Computing"/Informatik ist eine kreative Aktivität, die Innovationen schafft und dabei hilft, Sachverhalte besser zu verstehen. Das Thema KREATIVITÄT betrachtet die Informatik oder den Computer als Werkzeugset um Probleme zu lösen. Nur wenn man kreativ mit diesem Werkzeug arbeitet, können auch Lösungen gefunden werden. Die kreative Nutzung des Computers ermöglicht Innovationen und die Genese von Wissen.

Informatik schafft Innovationen in vielen Teilen der Gesellschaft

Die Informatik dringt in fast alle Lebensbereiche vor und verändert sie. Die Innovationen finden jedoch bloss in kleinerem Umfang in der Informatik selbst statt, sondern helfen vor allem in anderen Disziplinen, Probleme auf eine neue Weise anzugehen. Gleichzeitig bedeuten Innovationen auch Veränderungen, die Ängste auslösen können.

Informatik eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten und schafft Wissen

Viele Forschungen wären heute ohne den Einbezug von Informatik undenkbar. Sei es, dass man durch Simulationen oder Netzwerkanalysen neue Zusammenhänge entdeckt. Oder dass die Informatik die Kommunikation und die Kooperation erleichtert und damit das Management von Informationen und Wissen verbessert.

Zentrale Fragen

• Was ist Kreativität?
• Was ist ein digitales Artefakt?
• Inwiefern hilft Kreativität bei der Entwicklung von digitalen Artefakten?
• Wie können Programmieren und digitale Werkzeuge kreative Prozesse begünstigen?
• Inwiefern erweitern digitale Werkzeuge traditionelle Erfahrungen und Ausdrucksweisen?

Bezüge zum LP 21 (Auswahl)
Die Schülerinnen und Schüler...

• Zyklus 1
  • können spielerisch und kreativ mit Medien experimentieren. (MI.1.3 a)
  • können formale Anleitungen erkennen und ihnen folgen (z.B. Koch- und Backrezepte, Spiel- und Bastelanleitungen, Tanzchoreographien). (MI.2.2 a)

• Zyklus 2
  • können durch Probieren Lösungswege für einfache Problemstellungen suchen und auf Korrektheit prüfen (z.B. einen Weg suchen, eine Spielstrategie entwickeln). Sie können verschiedene Lösungswege vergleichen. (MI.2.2 b)
  • können Programme mit Schleifen, bedingten Anweisungen und Parametern schreiben und testen. (MI.2.2 f)
  • können bei Problemen mit Geräten und Programmen Lösungsstrategien anwenden (z.B. Hilfe-Funktion, Recherche). (MI.2.3 g)

PDF der Folien beider Veranstaltungen folgen in Kürze.

Abstraktion

ABSTRAKTION reduziert die Informationen und spart unwichtige Details aus, um sich auf das Wesentliche zu konzentrieren. Menschen abstrahieren andauernd, um die Komplexität der Realität zu reduzieren. So ist beispielsweise der Gebrauch der Sprache ist eine Abstraktion um z.B. einer anderen Person etwas zu erklären oder sie von etwas zu überzeugen. Der Code dafür ist die Sprache. In der Informatik ist die Abstraktion die zentrale Problemlösungsstrategie. Es ist sowohl der Prozess, die Strategie wie auch das Resultat von Komplexitätsreduktion, sich auf die relevanten Parameter zu fokussieren, um Probleme zu verstehen und zu lösen. Die Studierenden lernen verschiedene Konzepte kennen, um die Realität zu abstrahieren, damit sie mit Menschen oder dem Computer kommunizieren können. Dabei lernen sie verschiedene Formen von Abstraktionen kennen.

Abstraktion von Daten

Welche Aspekte der Umwelt sind überhaupt digital abstrahierbar und wie funktioniert diese Abstraktion. Wie funktioniert beispielsweise die Codierung von Text, Ton, Bild, 2D- und 3D-Welten oder Geodaten.

Abstraktion von Strukturen

Wie können Daten strukturiert werden (als digitale Karten, Diagramme, Tabellen, relationale Datenbanken, Netzwerke)

Abstraktion von Abläufen

Die Abstraktion von Daten und Strukturen sind statisch. Die Informatik will Daten aber nicht bloss sammeln und strukturieren, sondern mit ihnen arbeiten, mit ihnen interagieren und sie modellieren. Hierzu gibt es Konzepte, wie die Kommunikation Mensch-Computer und Computer-Computer geschehen kann.

Zentrale Fragen

• Wie können unterschiedliche Daten, physische Phänomene und mathematische Konzepte mit dem Computer repräsentiert werden?
• Inwiefern dient die Abstraktion dabei Programme zu schreiben, digitale Artefakte zu erstellen und Probleme zu lösen?
• Inwiefern helfen berechenbare Modelle und Simulationen, neues Wissen und Verständnis aufzubauen?

Bezüge zum LP 21 (Auswahl)
Die Schülerinnen und Schüler...

• Zyklus 2
  • können durch Probieren Lösungswege für einfache Problemstellungen suchen und auf Korrektheit prüfen (z.B. einen Weg suchen, eine Spielstrategie entwickeln). Sie können verschiedene Lösungswege vergleichen. (MI.2.2 b)
  • können Programme mit Schleifen, bedingten Anweisungen und Parametern schreiben und testen. (MI.2.2 f)

• Zyklus 3
  • können logische Operatoren verwenden (und, oder, nicht). (MI.2.1 i)
  • können selbstentdeckte Lösungswege für einfache Probleme in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Schleifen, bedingten Anweisungen und Parametern formulieren.(MI.2.2 g)
  • können selbstentwickelte Algorithmen in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Variablen und Unterprogrammen formulieren. (MI.2.2 h)

PDF der Folien folgt in Kürze.

Daten

DATEN und INFORMATIONEN erleichtern die Genese / das Schaffen von Wissen Der Computer ermöglicht und begünstigt neue Methoden der Informationsverarbeitung. Dies führt zu enormen Veränderungen in verschiedenen Disziplinen (Kunst, Wirtschaft und Wissenschaft)

Die Digitalisierung führt zu einer Flut von Daten

Das Sammeln aber auch das Auswerten von Daten wird durch die Digitalisierung enorm vorangetrieben. Menschen verwenden den Computer, zum übersetzen, auswerten und visualisieren von Rohdaten und so Informationen oder Wissen zu generieren. Die Informatik erleichtert und ermöglicht ein neues Verständnis für Daten und Informationen welches das Wissen der Welt konstituiert.

Medienthemen

Daten werden heute klassischerweise nicht mehr primär durch den Staat und die Wissenschaft gesammelt, sondern insbesondere durch global operierende Internet und Computerfirmen (Google, Microsoft, Apple, Facebook und Amazon). Damit wird insbesondere der Datenschutz in Frage gestellt.

Hier stellt sich die Frage, wie gewisse Algorithmen (z.B. neuronale Netze) dann auch konkrete Entscheidungen treffen, ohne dass der Ingenieur sagen kann, weshalb dies der Computer tut.

Zentrale Fragen

• Wie kann der Computer eingesetzt werden, um Menschen bei der Verarbeitung von Daten und Information zu unterstützen und so Wissen und Erkenntnis aufzubauen?
• Wie kann der Computer eingesetzt werden, um das Erkunden und Entdecken bei der Arbeit mit Daten zu erleichtern?
• Welche Überlegungen und Abstriche müssen bei der digitalen Verarbeitung von Daten gemacht werden?
• Welche Möglichkeiten bieten riesige Datensätze (Big Data) beim Probleme Lösen und dem Erkenntnisgewinn?

Bezüge zum LP 21 (Auswahl)
Die Schülerinnen und Schüler...

• Zyklus 2
  • können können unterschiedliche Darstellungsformen für Daten verwenden (z.B. Symbole, Tabellen, Grafiken). (MI.2.1 b)
  • können Daten mittels selbstentwickelten Geheimschriften verschlüsseln. (MI.2.1 c)
  • kennen analoge und digitale Darstellungen von Daten (Text, Zahl, Bild und Ton) und können die entsprechenden Dateitypen zuordnen. (MI.2.1 d)
  • kennen die Bezeichnungen der von ihnen genutzten Dokumententypen. (MI.2.1 e)
  • kennen verschiedene Speicherarten (z.B. Festplatten, Flashspeicher, Hauptspeicher) und deren Vor- und Nachteile und verstehen Grösseneinheiten für Daten. (MI.2.3 f)

• Zyklus 3
  • können Methoden zur Datenreplikation unterscheiden und anwenden (Backup, Synchronisation, Versionierung). (MI.1.3 k)

PDF der Folien beider Veranstaltungen folgt in Kürze.

Algorithmen

ALGORITHMEN sind Werkzeuge, mit denen informatische Probleme formuliert und gelöst werden können.

Bei verschiedensten alltäglichen Aufgaben werden Algorithmen verwendet. Unsere Welt und die Gesellschaft werden heute wesentlich von Algorithmen in Software beeinflusst. Sie sind beispielsweise der Grund, weshalb heute Daten sicher und in grosser Menge übertragen werden können. Die Entwicklung, Verwendung und Analyse von Algorithmen gehören damit zu den fundamentalsten Kompetenzen der Informatik.

Zentrale Fragen

• Wie werden am Computer und anderen Rechenmaschinen Algorithmen implementiert und ausgeführt?
• Warum eignen sich gewisse Sprachen besser zur Implementierung von Algorithmen?
• Welche Probleme sind mit Algorithmen einfach, welche schwierig und welche gar nicht zu lösen?
• Wie werden Algorithmen evaluiert?

Bezüge zum LP 21 (Auswahl)
Die Schülerinnen und Schüler...

• Zyklus 1
  • können Dinge nach selbst gewählten Eigenschaften ordnen, damit sie ein Objekt mit einer bestimmten Eigenschaft schneller finden (z.B. Farbe, Form, Grösse). (MI.2.1 a)
  • können formale Anleitungen erkennen und ihnen folgen (z.B. Koch- und Backrezepte, Spiel- und Bastelanleitungen, Tanzchoreographien). (MI.2.2 a)

• Zyklus 3
  • können selbstentwickelte Algorithmen in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Variablen und Unterprogrammen formulieren. (MI.2.2 h)
  • können verschiedene Algorithmen zur Lösung desselben Problems vergleichen und beurteilen (z.B. lineare und binäre Suche, Sortierverfahren). (MI.2.2 i)

PDF der Folien beider Veranstaltungen folgt in Kürze.

Programmieren

PROGRAMMIEREN ermöglicht Probleme zu lösen, etwas auszudrücken und das Wissen zu erweitern / generieren von Wissen. Programmieren und Softwareentwicklung haben unser Leben verändert. Das Ergebnis von Programmieren ist Software und es erleichtert das Kreieren von Artefakten wie digitaler Musik, Bildern und Visualisierungen. In diesem Kurs lernen Sie Konzepte und Techniken kennen, die Sie beim Programmieren, beim Entwickeln von Software und bei der effektiven Nutzung von Software unterstützen.

Zentrale Fragen

• Wie wird Software entwickelt, damit sie Menschen, Organisationen oder Gesellschaften bei der Problemlösung hilft.
• Wie werden Programme zum kreativen Ausdruck eingesetzt, um die persönliche Neugier oder zum Wissenszuwachs dienen?
• Wie implementieren Computerprogramme Algorithmen?
• Wie entwickeln und testen Menschen Computerprogramme?
• Welche mathematisch und logischen Konzepte sind für das Programmieren fundamental?

Bezüge zum LP 21 (Auswahl)
Die Schülerinnen und Schüler...

• Zyklus 2
  • verstehen, dass ein Computer nur vordefinierte Anweisungen ausführen kann und dass ein Programm eine Abfolge von solchen Anweisungen ist. (MI.2.2 e)
  • können Programme mit Schleifen, bedingten Anweisungen und Parametern schreiben und testen. (MI.2.2 f)

• Zyklus 3
  • können selbstentwickelte Algorithmen in Form von lauffähigen und korrekten Computerprogrammen mit Variablen und Unterprogrammen formulieren. (MI.2.2 h)

PDF der Folien beider Veranstaltungen folgt in Kürze.

Internet

Das INTERNET (Netzwerk und Geräte) fördert computergestütztes Problemlösen. Das Internet, seine Geräte und Systeme haben einen enormen Einfluss auf unsere Gesellschaft. Computernetzwerke unterstützen die Kooperation wie auch die Kommunikation. Die Prinzipien der Systeme und der Netzwerke, die dem Internet zu Grunde liegen, sind für computergesteuertes Problemlösen essenziell. Die Studierenden lernen, wie das Internet funktioniert.

Zentrale Fragen

• Was ist das Internet? Wie ist es konstruiert? Wie funktioniert es?
• Welches Design und Entwicklung des Internets haben dazu geführt, dass es ein Erfolg wurde?
• Wie beeinflussen Sicherheitsaspekte die immer grösser werdende Zahl an Internet-Benutzer?

Bezüge zum LP 21 (Auswahl)
Die Schülerinnen und Schüler...

• Zyklus 2
  • verstehen die grundsätzliche Funktionsweise von Suchmaschinen. (MI.2.3 i)
  • können lokale Geräte, lokales Netzwerk und das Internet als Speicherorte für private und öffentliche Daten unterscheiden. (MI.2.3 j)
  • haben eine Vorstellung von den Leistungseinheiten informationsverarbeitender Systeme und können deren Relevanz für konkrete Anwendungen einschätzen (z.B. Speicherkapazität, Bildauflösung, Rechenkapazität, Datenübertragungsrate). (MI.2.3 k)

• Zyklus 3
  • kennen die wesentlichen Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeelemente von Informatiksystemen und können diese mit den entsprechenden Funktionen von Lebewesen vergleichen (Sensor, Prozessor, Aktor und Speicher). (MI.2.3 l)
  • können das Internet als Infrastruktur von seinen Diensten unterscheiden (z.B. WWW, E-Mail, Internettelefonie, Soziale Netzwerke). (MI.2.3 m)

PDF der Folien beider Veranstaltungen folgt in Kürze.

Globale Auswirkungen der Digitalisierung

Die GLOBALEN AUSWIRKUNGEN der Informatik und der Digitalisierung sind immens - für jeden. Informatik verändert zunehmend die Art und Weise, wie Menschen denken, arbeiten, leben und spielen. Die Methoden, wie wir kommunizieren, kollaborieren, Probleme lösen und Geschäfte tätigen, haben sich aufgrund zahlreicher Innovationen in der Informatik verändert und wird sich weiterhin verändern.

Zentrale Fragen

• Welchen Einfluss haben die Informatik und die Digitalisierung auf die menschliche Kommunikation, Interaktion und Wahrnehmung?
• Warum und wie ermöglicht Informatik Innovationen?
• Welches sind potenziell vorteilhafte bzw. schädliche Effekte der Informatik?
• Wie beeinflussen wirtschaftliche, soziale und kulturelle Kontexte Innovation und den Nutzen der Informatik?

Bezüge zum LP 21 (Auswahl)
Die Schülerinnen und Schüler...

• Zyklus 2
  • können Folgen medialer und virtueller Handlungen erkennen und benennen (z.B. Identitätsbildung, Beziehungspflege, Cybermobbing). (MI.1.1 c)
  • können Informationen aus verschiedenen Quellen gezielt beschaffen, auswählen und hinsichtlich Qualität und Nutzen beurteilen. (MI.1.2 e)

• Zyklus 3
  • kennen Organisations- und Finanzierungsformen von Medienangeboten und deren Konsequenzen.(MI.1.2 i)
  • können kooperative Werkzeuge anpassen und für gemeinsames Arbeiten, Meinungsaustausch, Kommunikation sowie zum Publizieren einsetzen (z.B. Blog, Wiki).(MI.1.4 f)
  • können die Risiken unverschlüsselter Datenübermittlung und -speicherung abschätzen. (MI.2.3 n)

PDF der Folien beider Veranstaltungen folgt in Kürze.