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1. Leitgedanken zum Kompetenzerwerb

We can only see a short distance ahead, but we can see plenty there that needs to be done.
– Alan Turing –

1.1 Bildungswert des Faches Informatik

Schülerinnen und Schüler wachsen in einer zunehmend technisierten und digitalisierten Welt auf. Heutige Formen der Kommunikation, des Wissenserwerbs und der Automatisierung bereichern und vereinfachen ihr Leben spürbar. Die gestiegene Geschwindigkeit und Komplexität stellen die Gesellschaft zugleich vor große Herausforderungen und substanziell neue Fragestellungen wie beispielsweise: Welche Chancen und Risiken sind mit diesen Entwicklungen verbunden? Wie funktionieren die Algorithmen, die uns umgeben? Wie können wir die Digitalisierung nicht nur nutzen, sondern auch selbstbestimmt und verantwortungsvoll gestalten? Wer kontrolliert die enormen Datenmengen? Wie sieht die Arbeitswelt von morgen aus?

Viele Entwicklungen in diesen Bereichen basieren auf Erkenntnissen, die sich einerseits aus naturwissenschaftlichen Prinzipien ableiten und andererseits durch mathematisch-informatische Modellierung sowie anschließende Implementierung nutzbar machen lassen.

Das Fach Informatik strebt an, den Schülerinnen und Schülern ein fachliches Fundament zu vermitteln. Dieses befähigt sie, sich konstruktiv-kritisch an der gesellschaftlichen Kommunikation und Meinungsbildung über informatische Entwicklungen zu beteiligen und verantwortungsvoll Entscheidungen zu treffen.

Speziell die Informatik stellt heute einen organischen Teil vieler anderer Disziplinen dar und hat diese in kurzer Zeit verändert. Viele Prozesse im Alltag werden ebenso von Informatiksystemen gesteuert wie die lebensnotwendige Grundversorgung in den Bereichen Energie, Logistik, Transport und Kommunikation. Durch die Digitalisierung ist zudem für bestimmte Teile der Gesellschaft eine weitere Dimension der realen Welt und des Zusammenlebens entstanden. Einerseits haben viele nur durch die Informatik ermöglichten Anwendungen (wie beispielsweise Kommunikationsplattformen, Cloud-Computing, automatisierte Fertigung, Sicherheitssysteme) unser Leben bereichert und vereinfacht. Andererseits birgt es auch Gefahren, wenn die automatisierte und algorithmengesteuerte Erhebung, Verknüpfung und Verarbeitung von Daten bereits so in den Alltag integriert ist, dass mögliche daraus resultierende Beeinflussungen nicht mehr wahrgenommen werden.

Ziel des Informatikunterrichts ist es, dass Schülerinnen und Schüler ein Verständnis für Hintergründe, Mechanismen und Funktionsweisen von informatischen Systemen entwickeln. Dabei ist es von großer Bedeutung, nicht nur zu wissen, wie Anwendungen genutzt werden, sondern auch ihre Funktionsweise zu verstehen. Bei der Erstellung von informatischen Produkten erleben die Schülerinnen und Schüler, wie sie selbst gestalterisch tätig werden können und erfahren ihre Selbstwirksamkeit. Ein Bewusstsein für die Existenz und Relevanz der Beeinflussungen durch informatische Systeme sowie die Erfahrung, informatische Systeme selbst mitgestalten zu können, tragen dazu bei, dass sie als mündige Bürgerinnen und Bürger in der Gesellschaft verantwortungsvoll Entscheidungen treffen können.

Beitrag des Faches Informatik zu den Leitperspektiven

In welcher Weise das Fach Informatik einen Beitrag zu den Leitperspektiven leistet, wird im Folgenden dargestellt:

  • Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE)
    Der Informatikunterricht fördert verantwortungsvolles und nachhaltiges Denken und Handeln. Als Grundlagenfach leistet Informatik einen Beitrag zur Leitperspektive Bildung für nachhaltige Entwicklung, indem stets technische, anwendungsbezogene und gesellschaftliche Komponenten miteinander verknüpft werden. Die ständigen Weiterentwicklungen der technischen Möglichkeiten finden in der Regel sehr schnell Eingang in das alltägliche Leben und verändern das Verhalten der Menschen. Oft werden sie ein fester Bestandteil des Alltags, ohne dass zuvor von der Gesellschaft die Chancen und Risiken reflektiert wurden. Nur ein Verständnis der technischen Hintergründe erlaubt es, fundierte Aussagen zur ethischen Bewertung der Neuerungen zu treffen und zu sachlichen Begründungen zu kommen.
  • Bildung für Toleranz und Akzeptanz von Vielfalt (BTV)
    Sämtliche digitalen Systeme (zum Beispiel Medizintechnik, Fahrzeuge, Schließsysteme, Geldverkehr, Kommunikationsplattformen) haben Auswirkungen auf das gesellschaftliche Leben. Dabei sind bei deren Entwicklung individuelle Bedeutungen für verschiedene gesellschaftliche Gruppen einschließlich Minderheiten (Menschen mit Behinderung, Angehörige verschiedener Länder und Ethnien, sexueller Orientierungen, Religionen etc.) zu berücksichtigen. Neue technische Möglichkeiten bieten neben einer Reihe von Chancen jedoch immer auch Möglichkeiten für Missbrauch: Zum Beispiel stellt das Internet eine umfassende Ressource für Information dar und ermöglicht die weltweite Kommunikation und Vernetzung von Menschen unterschiedlicher kultureller Prägung und Weltanschauung. Minderheiten haben eine Plattform, um auf sich aufmerksam zu machen, und auch eine unabhängige Berichterstattung aus totalitären Staaten ist möglich. Bestimmte Interessengruppen nutzen diese Technologien jedoch auch, um Meinungen und Ansichten zu verstärken, zu beeinflussen oder zu manipulieren. Ein gezielter Einfluss auf die öffentliche Meinung ist eine Gefahr für die Akzeptanz von gesellschaftlicher Vielfalt und fördert Vorurteile und Klischees. Nur wenn die Schülerinnen und Schüler die Strukturen des Internets und die dahinter stehenden technischen Möglichkeiten verstehen, können sie Informationen angemessen bewerten.
  • Prävention und Gesundheitsförderung (PG)
    Die Leitperspektive Prävention und Gesundheitsförderung findet im Informatikunterricht besondere Berücksichtigung: Die Schülerinnen und Schüler werden an einen verantwortungsvollen, reflektierten und selbstregulativen Umgang mit Endgeräten herangeführt. Sie nutzen die im Alltag größtenteils zum Medienkonsum verwendeten mobilen Endgeräte und Informatiksysteme als Arbeitsmittel und werden so befähigt, von der Rolle der reinen Konsumenten in die Rolle der bewusst Handelnden und Gestaltenden zu treten. Dies fördert die Selbstwirksamkeit in einer zusehends konsumorientierten Gesellschaft und trägt zur Entwicklung und Stärkung der Persönlichkeit von Schülerinnen und Schülern bei.
  • Berufliche Orientierung (BO)
    Aufgrund der Entwicklungen in der Informationstechnologie hat sich ein Wandel in der Berufswelt vollzogen. Einige klassische Berufsfelder verlieren an Bedeutung, Ausbildungs- und Studiengänge wurden und werden um Inhalte aus dem MINT-Bereich ergänzt, neue Berufsfelder entstehen. Der Wirtschaftsstandort Deutschland wäre in seiner heutigen Form ohne digitalisierte und automatisierte Geschäfts- und Fertigungsprozesse undenkbar. Die Schülerinnen und Schüler lernen im Informatikunterricht verschiedene Anwendungsfelder der Informatik kennen. Er befähigt sie, in ihrem späteren Beruf die digitalen Werkzeuge reflektiert auszuwählen und einzusetzen. Sie lernen, wie Informatik die moderne Gesellschaft prägt und werden befähigt, diese selbst mitzugestalten. Durch eine entsprechende Interessenbildung wird im Informatikunterricht ein gezielter Kontakt mit neuen Arbeitsfeldern der Berufswelt ermöglicht und dazu beigetragen, (geschlechts‑)stereotype Sichtweisen auf MINT-Berufe abzubauen.
  • Medienbildung (MB)
    Der Informatikunterricht erweitert die reine Nutzung bestehender IT-Anwendungen und ‑Systeme um den Aspekt des Verständnisses der Funktionsweise dieser Systeme und fördert die Reflexionsfähigkeit der Schülerinnen und Schüler bei deren Nutzung. Nur ein Verständnis der hinter den Anwendungsprogrammen stehenden informatischen Grundkonzepte führt zu produkt- und versionsunabhängigem Konzeptwissen, welches die Schülerinnen und Schüler befähigt, auch in Zukunft neuen Anforderungen kompetent begegnen zu können. Der Informatikunterricht legt die Grundlagen für einen verantwortungsvollen Umgang mit Daten und sensibilisiert Schülerinnen und Schüler, die Rechte anderer zu wahren und ihre eigenen Daten zu sichern.
  • Verbraucherbildung (VB)
    Ein Aspekt der Verbraucherbildung betrifft die Erhebung von Daten, zum Beispiel durch den über das Internet stattfindenden Handel mit Waren und Dienstleistungen, die auch auf einzelne Kunden personalisierte Angebote ermöglichen. Der Informatik-Unterricht befähigt Schülerinnen und Schüler, die Wirkungsweisen der hinter solchen Datenerhebungen stehenden Systeme und Interessen zu reflektieren und sich dadurch kritisch mit Aussagen in Werbung, Marketing und Produktgestaltung auseinanderzusetzen.

1.2 Kompetenzen

Die Auswirkung der Digitalisierung auf gesellschaftliche Entwicklungen hat in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Daher ist die Befähigung der Schülerinnen und Schüler, ihr Leben in einer Informationsgesellschaft selbstbestimmt führen und gestalten zu können und auch auf zukünftige Entwicklungen und die damit verbundenen Fragestellungen vorbereitet zu sein, nur durch den Erwerb entsprechender Kompetenzen erreichbar.

Grundlage für die Ausweisung von Kompetenzen sind zentrale Konzepte der Informatik. Dabei nehmen Konzepte des Informatischen Denkens (Computational Thinking) einen großen Teil ein. Diese beschreiben den Prozess, ein Problem und die zur Verfügung stehenden Daten zu untersuchen, spezifische Muster zu erkennen, Wesentliches von Unwesentlichem zu unterscheiden und damit eine Lösung zu entwickeln, die so präzise beschrieben wird, dass sie leicht immer wieder ausgeführt werden kann. Wichtige Lösungsstrategien sind „Zerlegung in Teilprobleme“, „Abstrahieren“, „Mustererkennung“ und „Algorithmisierung“. An den Prozess der Problemlösung schließen sich Reflexion und Bewertung der Ergebnisse an. Diese Vorgehensweisen sind typisch für die Informatik, können aber auch in anderen Disziplinen angewendet werden.

Die im Bildungsplan formulierten Kompetenzen stellen die Umsetzung dieser Konzepte im Informatikunterricht dar. Diese sind in zwei Bereiche unterteilt:

  • Prozessbezogene Kompetenzen
  • Inhaltsbezogene Kompetenzen

Ein zeitgemäßer Informatikunterricht berücksichtigt dabei stets die Verknüpfung von inhaltsbezogenen und prozessbezogenen Kompetenzen.

Zentrale Konzepte der Informatik in den prozessbezogenen und inhaltsbezogenen Kompetenzen (© Landesinstitut für Schulentwicklung)
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Prozessbezogene Kompetenzen

Die in Klasse 7 aufgeführten informatischen prozessbezogenen Kompetenzen werden dort nicht abschließend erworben, sondern können nur angebahnt werden. Sie werden nun fortgeführt und vertieft. Zusätzlich treten neue prozessbezogene Kompetenzen hinzu.

Die prozessbezogenen Kompetenzen gliedern sich in vier Kompetenzbereiche:

  • Strukturieren und Vernetzen
  • Modellieren und Implementieren
  • Kommunizieren und Kooperieren
  • Analysieren und Bewerten

Strukturieren und Vernetzen
Die Informatik als Strukturwissenschaft beschäftigt sich mit der Strukturierung von Daten und Prozessen (Algorithmen). Große Datenmengen können nur dann automatisiert und effizient verarbeitet werden, wenn sie in einer geeigneten Struktur vorliegen. Auch Algorithmen sind letztendlich Strukturen aus elementaren Bausteinen. Komplexere Problemstellungen können in einzelne Teilprobleme aufgeteilt werden, die oft für sich einfacher lösbar sind sowie Übersichtlichkeit und Wiederverwendbarkeit erhöhen. Die einzelnen Handlungsschritte werden anschließend zu einer Gesamtlösung vereint.

Modellieren und Implementieren
Um reale oder konstruierte Probleme lösen zu können, müssen sie zunächst aufbereitet werden. In den zur Verfügung stehenden Informationen müssen Regelmäßigkeiten, Wiederholungen, Ähnlichkeiten oder Gesetzmäßigkeiten erkannt werden, um charakteristische und verallgemeinerbare Bestandteile zu abstrahieren. Danach werden Abläufe, Daten und Beziehungen in informatischen Modellen dargestellt. Die Schülerinnen und Schüler implementieren Algorithmen in einer geeigneten Programmierumgebung und testen ihre Programme auf Fehler und die Ergebnisse auf Realitätsrelevanz.

Kommunizieren und Kooperieren
Die Schülerinnen und Schüler dokumentieren ihre Arbeitsschritte und (Teil‑)Ergebnisse und bedienen sich dabei fachlicher Terminologie und geeigneter Visualisierungen. Sie bearbeiten geeignete Problemstellungen arbeitsteilig und verwenden dabei vorhandene Infrastruktur zur Kommunikation und Zusammenarbeit.

Analysieren und Bewerten
Die Schülerinnen und Schüler analysieren Aufgabenstellungen, vorliegenden Programmcode, das Verhalten von Systemen mit unbekanntem innerem Aufbau sowie die gesellschaftlichen Auswirkungen von informatischen Systemen. Beim sich anschließenden Reflexionsprozess werden Lösungen mit der Ausgangssituation verglichen und gegebenenfalls Überlegungen zur Verbesserung angestellt. Dies führt zur Bewertung und Überarbeitung der Lösungen. In der Regel gibt es nicht nur eine richtige Lösung, sondern eine Vielzahl möglicher Umsetzungen. Darüber hinaus bewerten die Schülerinnen und Schüler die Auswirkung informatischer Anwendungen, Strukturen und Denkweisen auf die Gesellschaft sowie deren Sinnhaftigkeit.

Inhaltsbezogene Kompetenzen

Informatik beschäftigt sich mit der Darstellung, der automatischen Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Informationen. Dabei ist die Repräsentation der Information in Form von digitalen Daten Voraussetzung für deren weitere automatisierte Verarbeitung. Diese Prinzipien sind die Grundlage für die Gliederung der inhaltsbezogenen Kompetenzen.

Daten und Codierung
Codierungsvorschriften beschreiben, wie Informationen in ein standardisiertes Format gebracht werden können. Verschiedene Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Codierungen. Die Schülerinnen und Schüler lernen Codierungsvorschriften kennen, die das Erkennen und Korrigieren von Übertragungsfehlern ermöglichen. Sie können den Speicherbedarf großer Datenmengen durch Komprimierung reduzieren. Die Schülerinnen und Schüler lernen verschiedene Strukturen von Daten und deren Einsatzmöglichkeiten kennen.

Algorithmen
Die Schülerinnen und Schüler lernen Standardalgorithmen aus verschiedenen Bereichen kennen und entwerfen eigene Algorithmen. Sie werden befähigt, einfache Algorithmen zu implementieren. Dabei findet in Klasse 9 der Übergang zu einer textuellen Programmiersprache statt. Größere Aufgabenstellungen – wie zum Beispiel Softwareprojekte – erfordern die Zerlegung von Problemen in kleinere Teilaufgaben, die beispielsweise mithilfe von Unterprogrammen gelöst werden. Sie setzen dabei Datenstrukturen zur Speicherung gleichartiger Daten ein. Informatische Modelle erleichtern das Verständnis des Aufbaus von Algorithmen.

Rechner und Netze
Neben dem Rechner als algorithmenverarbeitende Maschine lernen die Schülerinnen und Schüler den Rechner als Teilnehmer in Netzen kennen. Die Vernetzung von Rechnern bildet die Grundlage verteilten Arbeitens und moderner Kommunikation. Dabei sind sowohl Konzepte der Datenübertragung als auch das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten entscheidend.

Informationsgesellschaft und Datensicherheit
In der Informationsgesellschaft muss jeder Einzelne die Verantwortung für seine Daten im Hinblick auf Verfügbarkeit, Vertraulichkeit und Integrität übernehmen. Die Schülerinnen und Schüler wissen um die permanente Erhebung, Zusammenführung und Auswertung von personenbezogenen Daten. Verschlüsselungsverfahren zeigen die Prinzipien der Kryptologie. Es wird deutlich, dass nur die Vermeidung von Schwachstellen zu sicheren Verschlüsselungsverfahren führen kann. Die Schülerinnen und Schüler lernen die asymmetrische Verschlüsselung als einen Lösungsansatz für das Schlüsselaustauschproblem kennen.

1.3 Didaktische Hinweise

Aktuelle Bezüge
Die Schülerinnen und Schüler werden in alltäglichen Situationen oder in den Nachrichten mit informatischen Themen konfrontiert. Dies reicht von zunächst unerklärbarem Verhalten (zum Beispiel Fehlermeldungen) beim Bedienen von Endgeräten bis zu Nachrichten über technische Entwicklungen oder Zwischenfälle im Zusammenhang mit Informatiksystemen. Viele dieser aktuellen Ereignisse bieten geeignete Anknüpfungsmöglichkeiten, um sowohl die informatisch-technologischen Aspekte als auch die Auswirkungen auf Individuum und Gesellschaft zu beleuchten.

Programmieren und Testen
Programmieren als Realisierung von Ideen in Software als schöpferischer und produktiver Prozess ist ein wesentlicher Bestandteil des Informatikunterrichts. Die Schülerinnen und Schüler entwerfen Problemlösungen, die auf grundlegenden Programmierbausteinen basieren und erfahren so, dass die Lösung nicht in den Bausteinen selbst, sondern hauptsächlich in der Art und Weise ihrer Anordnung liegt. Zur Arbeitsweise gehören auch die selbstständige Überprüfung des Programmablaufs, die Aufdeckung von syntaktischen und semantischen Fehlern, sowie der Entwurf von Testszenarien und deren Durchführung.

Programmierumgebung
Die Entscheidung für eine geeignete Programmiersprache und Programmierumgebung sollte in Kombination getroffen werden und nach Gesichtspunkten der altersangemessenen Vermittlung informatischer Konzepte erfolgen. Dabei ist der Auswahl der didaktischen Werkzeuge eine besondere Bedeutung beizumessen. Die Programmierumgebung sollte die Schülerinnen und Schüler bei der Eingabe und Strukturierung ihres Codes unterstützen, leichtes Auffinden und Beheben von Fehlern ermöglichen und möglichst auf die im Unterricht erforderlichen Funktionen beschränkt sein. Je nach eingesetzter Programmiersprache können objektorientierte Sprachelemente (zum Beispiel Methodenaufrufe bei Verwenden von Bibliotheken) notwendig sein. Diese können jedoch als spezielle Syntax aufgefasst und einfach nach Anleitung/Dokumentation verwendet werden. An eine Thematisierung der objektorientierten Programmierung – auch am Rande – ist nicht gedacht.

Informatik mit und ohne Rechnereinsatz
Grundsätzlich ist eine Umsetzung informatischer Inhalte mit digitalen Endgeräten selbstverständlich. Der Umgang mit digitalen Werkzeugen soll jedoch gegenüber der Vermittlung informatischer Inhalte in den Hintergrund treten. Auch die Vermittlung mithilfe von „unplugged“-Elementen ohne Rechnereinsatz (zum Beispiel Nachspielen mit geeigneten Gegenständen, in Papierform, durch Rollenspiele) kann dazu beitragen, die Kernidee informatischer Konzepte in den Vordergrund zu rücken und Ablenkungen, die im Umgang mit Werkzeugen oft unvermeidlich sind, zu reduzieren.

Variation von Problemstellungen
In besonderer Weise bietet der informatische Zugang zur Problemlösung auch die Möglichkeit, über die Grenzen der ursprünglichen Aufgabenstellung hinaus zu denken. Durch veränderte Anforderungen, Rahmenbedingungen oder Variation der Problemgröße werden informatische Lösungskonzepte verdeutlicht, nachvollziehbar gemacht oder hinterfragt. Fragestellungen der Art „Wie hätte man es anders machen können?“, „Ist die gefundene Lösung optimal?“ oder „Wo enden die Einsatzbereiche der gefundenen Lösung?“ gehören zum Standardrepertoire des Informatikunterrichts.

Geschlechtsneutraler Unterricht
Schülerinnen und Schüler besitzen oftmals diffuse Vorstellungen von Informatik und deren Aufgabenbereichen und bringen Rollenklischees mit, die sich dann im Unterricht widerspiegeln. Ein motivierender Informatik-Unterricht berücksichtigt die Interessen von Mädchen und Jungen in gleicher Weise, um geschlechtsstereotype Rollenbilder abzubauen. Programmierbeispiele und Übungen werden so gewählt, dass sie in gleichem Maße Mädchen und Jungen ansprechen. Bei der Problemlösung werden schülerspezifische Herangehensweisen berücksichtigt. Hierbei können sich planvolle und probierende Vorgehensweisen sinnvoll ergänzen.

Projektartiges Arbeiten
In Klasse 10 nimmt ein Programmierprojekt einen breiten Raum ein und fördert insbesondere den Aufbau prozessbezogener Kompetenzen. Der Rahmen für die Aufgabenstellung muss so von der Lehrkraft vorgegeben werden, dass sowohl die fachlichen Anforderungen als auch die zu erwartende Bandbreite an Ideen der Schülerinnen und Schüler darin Platz finden. Die Auswahl geeigneter Inhalte folgt den Kriterien Altersangemessenheit und Vereinbarkeit mit bestehenden rechtlichen Regelungen; insbesondere gilt der Verzicht auf gewaltdarstellende, beleidigende oder diskriminierende Inhalte.


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