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06.03.2017 | Anja Franz

„Informatik ohne Stecker“ – Informatik ohne PC, Tablet oder Smartphone

Bild: Pixabay, Lizenz: CC0

Wie können komplexe Inhalte wie das Binärsystem, Datenkomprimierung oder Algorithmen im Unterricht vermittelt werden? Neuseeländer entwickelten mit „CS Unplugged“ ein Konzept, bei dem ohne jegliche elektronische Hilfsmittel das Fach Informatik vermittelt werden kann. Tim Bell, Professor an der Universität von Canterbury, begann vor über 20 Jahren eine Sammlung frei nutzbarere Unterrichtsmodule zu entwickeln und fand später mit Ian Witten, University of Waikato, und Michael Fellows, Charles Darwin University zwei weitere Mitstreiter. Es wurden bisher sieben Module mit über 30 „Activities“ (Englisch für „Aktivitäten“) konzipiert, die jeweils ein Unterthema mit Anweisungen für Lehrkräfte, Unterrichtsmethoden, Arbeitsblätter und Lösungen beinhalten. Diese wurden in über 20 Sprachen übersetzt, darunter Arabisch, Griechisch oder Chinesisch. Ergänzend geben viele Videos auf der Webseite des Programms spannende Einblicke in das erfolgreiche Programm. 

Nullen und Einsen spielerisch erfahren

Mit anregenden Denkaufgaben und aktivierenden Spielen, mit Karten, Schnüren, Buntstiften und reichlich Bewegung werden grundsätzliche Fragen rund um den Computer erarbeitet, ohne gleich das Programmieren zu lehren. Weltweit gab es zahlreiche Bildungseinrichtungen, die das Programm oder Teile davon einsetzten, so auch in Deutschland das Hasso Plattner Institut in Berlin. Dr. Peter Tröger, inzwischen Professor an der TU in Chemnitz, erprobte am HPI die vier Module Daten, Algorithmen, Kontrollfluss und Netzwerk. Die Unterrichtseinheiten wurden über mehrere Jahre für interessierte Schülerinnen und Schüler im sommerlichen Schülerkolleg angeboten. Das gesamte Material kann auf der Webseite troeger.eu/unplugged kostenlos heruntergeladen und verwendet werden. Es gibt auch eine vollständige Übersetzung des ersten Moduls als PDF, die von Mäxl Stege erstellt wurde. Dr. Tröger lädt interessierte Lehrkräfte dazu ein, ihn über seine Webseite zu kontaktieren: „Ich wäre sehr an einer Weiterentwicklung der Module interessiert. Das Ziel ist mittelfristig eine Gruppe zu finden, die das Programm weiterentwickelt und mit Schülerinnen und Schülern durchführt.“ 

Prinzipien für „Informatik ohne Stecker“

Bild: Pixabay, Lizenz: CC0

Das vorrangige Ziel der Projektgründer in Neuseeland war es, junge Menschen für Computertechnologien zu begeistern. Heranwachsende sollen intellektuell angeregt bestehende Vorurteile gegenüber Computerwissenschaften abbauen. Auch war es den Begründern ein wichtiges Anliegen, dass Kinder aus allen Schichten erreicht und die Unterschiede zwischen Industrie- und Entwicklungsländern ausgehebelt werden. Auch wo es keine Klassensätze Tablets für den Unterricht gibt oder keine Vollvernetzung zur Verfügung steht, soll Informatikunterricht stattfinden.

 

Nach folgenden Prinzipien funktioniert „Informatik ohne Stecker“:

  • Die Unterrichtseinheiten funktionieren ohne Computer: damit werden Hemmschwellen, Vorurteile, technische und finanzielle Hürden und andere Barrieren umgangen.
  • Grundsätzliche Konzepte der Computerwissenschaften wie beispielsweise Algorithmen, Künstliche Intelligenz oder Programmiersprachen werden vermittelt.
  • Arbeitsphasen und Aufträge wurden als entdeckendes Lernen mit einem konstruktivistischen Ansatz entwickelt = „Learning by doing“.
  • Spaß: Probleme werden mit Humor gelöst, so sind Aufträge Teil einer Story und nicht nur abstrakte Mathematik.
  • Niedrige Kosten: Dinge, die ohnehin in Klassenzimmern vorhanden sind, werden genutzt, um die Kosten gering zu halten.
  • Die Materialien können von allen Bildungseinrichtungen kostenlos genutzt werden. Die Verwendung, Bearbeitung und Erweiterung wurde unter einer Creative Commons Lizenz frei gegeben. Nur Namensnennung und Verlinkung wünschen die Macher des Projekts. 
  • Internationalität: Übersetzer dürfen alle Teile in ihre jeweiligen Landessprachen und auch ihre Kulturen übertragen, sodass die Unterrichtseinheiten nicht nur an Sprachen sondern auch an landestypische Gepflogenheiten angepasst werden können.
  • Gemeinschaftliche Kooperation, Kommunikation und Problemlösung sind erwünscht. Ein Wettbewerb unter den beteiligten Instituten oder Ländern steht dem Grundgedanken an alle Menschen zu adressieren, entgegen.
  • Jedes Modul kann unabhängig vom Rest behandelt werden. Es sind jeweils in sich abgeschlossene Einheiten, sodass diese in jedes Curricula integriert werden können.
  • Das Material ist widerstandsfähig aufgebaut, sodass kleine Fehler in der Durchführung oder den Lösungen nicht ein generelles Grundverständnis verhindern können.  

Modul 1 – Daten

Unmengen an Daten, Zahlen, Wörter, Bilder und vieles mehr werden als Nullen und Einsen in Computern gespeichert. Die sogenannten Binärzahlen „0“ und „1“ funktionieren ähnlich dem Lichtschalter: „Stromfluss“ oder „kein Stromfluss“ als die Zustände „An“ oder „Aus“. Beim Versenden und Speichern von Daten wird beispielsweise mit Tönen (Modems) in optischer Form (CDs) oder in Form magnetischer Felder (Disketten, Festplatten und Kassetten) gearbeitet. So werden umfassende Anwendungen und Übertragungswege mit Hilfe des Binärsystems möglich. In diesem Modul werden die Binärzahlen erklärt, die Umwandlung von Daten, zum Beispiel Bilder oder Texte in Binärzahlen, geübt, Bits und Bytes als Einheiten vermittelt und der Umgang mit den Unmengen an gespeicherten Nullen und Einsen erläutert. Außerdem vermittelt das Modul anschaulich, wie die sogenannten Paritätsbits zur Vermeidung von Übertragungsfehlern bei der Versendung von Bits und Bytes funktionieren. 

Modul 2 – Algorithmen

Bild: Pixabay, Lizenz: CC0

Das Modul 2 beschäftigt sich mit Algorithmen, welche bei der derzeitigen Diskussion um Filterblasen und Echokammern eine große Rolle spielen. Algorithmen beschreiben eine Abfolge von Aktivitäten, die ein vorgegebenes Problem lösen sollen. Auch Menschen folgen ihren persönlichen Algorithmen, gehen zum Einkaufen in ihr Lieblingsgeschäft und arbeiten mit dem selbstentwickelten Konzept ihre Regale ab, auf denen sich ihre die gewünschten Waren befinden. Oder das Packen des Reisekoffers für den Jahresurlaub, das Befüllen des Geschirrspülers oder das morgendliche Badezimmerritual: all dies funktioniert nach einstudierten Handlungsketten. Ein Computer macht es nicht anders, denn er führt eine Vielzahl von Algorithmen durch, um Informationen auf festgelegten Pfaden zu verarbeiten, wie zum Beispiel die Google-Suche, Rechenwege im Taschenrechner, Navigationssysteme und mehr. Spielerisch werden Suchalgorithmen mit dem allseits bekannten „Schiffe versenken“-Spiel vermittelt, dazu werden Sortiersysteme und Sortiernetze erprobt. 

Modul 3 – Kontrollfluss

Im Modul 3 wird das Verständnis für das algorithmische „Kochrezept“ durch Instruktionsabfolgen erweitert. Eine beispielhafte Befehlskette lautet: „vergleiche dieses Elemente mit dem folgendem Element“, „gehe zum nächsten Element“, „tausche beide Elemente“. Komplexe Computerprogramme sind nichts anderes als eine Menge dieser Instruktionsabfolgen, die in einer Programmiersprache notiert werden. Um die Arbeitsweise von Computereinheiten wie der Central Processing Unit (CPU = englisch für zentrale Prozesseinheit), Arithmetic Logical Unit (ALU = englisch für arithmetisch-logische Einheit), Memory (englisch für Speicher) oder Display (englisch für Anzeige, Bildschirm) verstehen zu können, üben sich die Schülerinnen und Schüler in diesem Modul darin, gegenseitig mündliche Abfolgen zu beschreiben, diese blind nachzuvollziehen und die Probleme des „blinden Gehorsams“ zu erkennen. Dann wird mit Hilfe eines „Schatzinsel-Spiels“ das technologische Prinzip eines „Zustandsautomaten“ vermittelt, welches letztlich den Menüführungen technischer Systeme wie Bankautomaten oder Staubsaugerroboter gleicht. So lernen die Schülerinnen und Schüler aktiv und spielerisch Grundlagen über den Kontrollfluss.  

Modul 4 – Netzwerke

Bild: Peter Tröger, für nicht-kommerzielle Lehrzwecke frei verwendbar und kopierbar.

In diesem Modul geht es um die Funktionalität von Netzwerken. Die heutige medienaffine Generation ist erfahren im Networking und bringt dadurch ein Grundverständnis für die Materie mit. Das Thema lässt sich gut am Vorwissen der Sozialen Netzwerke anknüpfen ohne auf elektrotechnisches oder physikalisches Detailwissen zur Nachrichtenübertragung tiefer eingehen zu müssen. So geht es um die Verknüpfung zwischen Punkten und die Betrachtung dieser Verbindungen als Graphen am Beispiel eines durch verschlammte Straßen vernetzten Ortes, bei dem die kürzesten Wege gefunden werden. 

Mathematiker lösen diese Problematik mit Hilfe von „Kantengewichten“. Auch in der Informatik werden immer die günstigsten Verbindungen genommen, den sogenannten Minimum Spanning Tree (Englisch für den „kleinsten aufspannenden Baum“). Auch die Festnetztelefonie funktioniert entsprechend, indem das System anhand der Nummer und Switches (Englisch für Schaltstationen) den anderen Apparat findet. Im Modul bedeutet das, dass die Schülerinnen und Schüler sich als „Telefonanschlüsse“ und „Switches“ mit Hilfe von Schnüren und einer Schere untereinander verbinden und sich anschließend gegenseitig „anrufen“. Mit diesem Rollenspiel können Vorwahlnummern, unterbrochene Leitungen, schadhafte Switche oder überlastete Knoten erklärt werden. Dieses Netz kann auf das Internet übertragen werden. Anknüpfend an das frühere Modem und die „telefonierenden Computer“ geht es bis zur heutigen Übertragung von Datenpaketen über die sogenannte Internet Protocol-Adresse (IP-Adresse). Die Anzahl möglicher IP-Adressen im IPv4 (8-bit Zahlen = 2^32 = ca. 4 Milliarden) bis zur Variante IPv6, die theoretisch 2^128 - das sind ca. 340 Sextilllionen - Adressen unterstützen könnte. 

Wie geht es weiter?

In Baden-Württemberg startet im nächsten Schuljahr ab Klasse 7 (zunächst im Gymnasium) das Fach Informatik. So können Lehrkräfte Module aus dem neuseeländischen Projekt „Informatik ohne Stecker“ bei den im Bildungsplan 2016 vorgegebenen Kompetenzen zu den Themenfeldern „Daten und Codierung“, „Algorithmen“ sowie „Rechner und Netze“ einsetzen. Herr Dr. Träger, der die ersten vier Module bereits erprobte, äußert sich dazu: „Ich verbürge mich für die Qualität der Inhalte und habe am Hasso Plattner Institut das Material mehrfach verwendet. Gerne entwickle ich das Projekt auch weiter, wenn es Mittel dafür gäbe.“ Die Finanzierung ist jedoch derzeit nicht gegeben, doch würde er sich freuen, wenn er Rückmeldungen zu dem Material bekommt. Auch wäre es denkbar, dass weitere Module von interessierten Lehrkräften aus dem Englischen übersetzt und an Schulen in Baden-Württemberg getestet werden. Das gesamte Material des „CS Unplugged“-Projekts unterliegt einer Creative Commons Licence BY-NC-SA und kann bei Nennung der Quelle angewendet, bearbeitet und erweitert werden. Interessierte Lehrkräfte nehmen mit Herrn Dr. Träger über seine Webseite Kontakt auf.

Auch international nimmt das Projekt Fahrt auf

Neuseelands Microsoft Dependance kündigte im November 2016 an, dass Programm finanziell zu unterstützen und hat einen sechsstelligen Betrag dafür bereit gestellt. Das globale Softwareunternehmen verspricht sich davon einen Schub für das Fach Informatik für Menschen jeden Alters, von der Grundschule bis zu den Senioren. Sie fördern mit ihrem Beitrag das Tim Bell Projekt, sodass das Material aktualisiert und durch die Erstellung weiterer Videos und Unterrichtsverläufe erweitert wird. Auch ist im Zuge der Ergänzungen ein Leitfaden geplant, wie weitere Themen sowie multimediale und interaktive Elemente entwickelt werden können.

Mehr zum Thema Computer/Internet finden Sie hier.

Computer / Hardware, Lehrkräfte, MCO_News_Informatik_Robotik, Medienbildung, Software, Soziale Netzwerke

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