Beispiele aus dem 1. Unterrichtsjahr (Klasse 10)

• Kreativer Einstieg in die Programmierung mit der visuellen Umgebung Scratch.
• Einführung in die objektorientierte Modellierung und Programmierung
  • Einführung in die objektorientierte Java-Programmierung mit den interaktiven Programmierumgebungen Greenfoot und BlueJ
  • Entwicklung zweidimensionaler graphischer Anwendungen wie z. B. Simulationen und Spiele.
• Ein eigenes Projekt programmieren, dokumentieren und präsentieren
• Arbeitsumgebung im schulischen iServ-Rechnernetz (Anmeldung und Authentifikation, Zugriffsrechte, Dateiorganisation in eigenen und gruppenbasierten Verzeichnissen, E-Mail, usw.)
• Historische und aktuelle Entwicklung der Informationsübertragung und der Rechnertechnik
• Binärdarstellung von Informationen (Zahlen, Zeichen, Bilder)
• Einsatzbereiche und Benutzung von Datenbanksystemen; Einfacher Entwurf von Datenbanken;Erstellen einfacher Abfragen mit der Sprache SQL
• Grundlagen von Urheberrecht, Datenschutz und Datensicherheit

Beispiele aus dem 2. und 3. Unterrichtsjahr (Oberstufe)

• Objekorientierte Softwareentwicklung mit Java und/oder JavaScript
• Spezielle Algorithmen (z. B. Suchen, Sortieren, Rekursion, Finden kürzester Wege in Graphen, Backtracking)
• Datenbanken (Modellierung, Relationales Modell (Tabellen), SQL, Anomalien und Normalformen, webgestützter Zugriff mit PHP)
  • Advance Organizer
  • Einstiegsbeispiel zum webgestützten Datenbankzugriff mit PHP
  • Quelltexte zum Einstiegsbeispiel
• Datenbankprojekte:
  • Ehemaligen-Datenbank 2017
  • Nachhilfe 2016
  • Online-Bücherbörse
  • Online-Tippspiel zur Fußball-WM 2018, EM 2016, WM 2014, EM 2012,  WM 2006 und zur EM 2008
  • Quelltexte zum Online-Tippspiel zur Fußball-WM 2006
• Gestaltung von grafischen Benutzeroberflächen (PHP, HTML, JavaScript)
• Rechnernetze und Mikroprozessorarchitektur
• Funktionale Programmierung mit Haskell (Schülerpräsentation zum Vergleich von Programmiersprachen-Paradigmen)
• Theoretische Informatik (Sprachen und Automaten, Grammatiken)
• Informationssicherheit / Kryptologie
  ARD-Politmagazin Panorama : Beitrag über die NSA-Spionage in Deutschland. In diesem Beitrag werden Schüler/-innen unserer Informatik-LKs bei einem Workshop zu Möglichkeiten der Verschlüsselung und Anonymisierung gezeigt
• Softwareprojekt im Leistungskurs

In den meisten Kursen nutzen wir im Unterricht elektronische Lern-Plattf ormen (z. B. Moodle). Alle Schülerinnen und Schüler können jederzeit über das Internet auf das vom Lehrer zur Verfügung gestellte Material zugreifen.Die sinnvoller Verwendung des vollen Funktionsumfangs der Plattformen eine höhere Schüleraktivität und effektive Teamarbeit.

Einleitung

Übergeordnetes Ziel des Informatikunterrichts ist es, Schülerinnen und Schüler bestmöglich auf ein Leben in einer Gesellschaft vorzubereiten, die immer mehr durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien sowohl im privaten als auch im beruflichen Bereich geprägt ist. Dabei steht die produktunabhängige Auseinandersetzung mit dem Aufbau und der Funktionsweise von - meistens vernetzten - Informatiksystemen im Mittelpunkt. Die Lernenden erwerben erste Einblicke in Techniken der Modellierung und Implementierung. Eine solche differenzierte Auseinandersetzung hilft den Schülerinnen und Schülern, sowohl Möglichkeiten und Chancen als auch Risiken und Gefahren von Informations- und Kommunikationstechnologien zu erkennen und sachgerecht damit umzugehen.

Die Kernaufgabe des Unterrichts besteht in der Herausbildung fachbezogener Kompetenzen (vgl. Rahmenlehrplan für die gymnasiale Oberstufe Berlin).

Im folgenden wird exemplarisch aufgezeigt, wie unsere Schülerinnen und Schüler die im Rahmenplan beschriebenen Kompetenzen erlangen können:

Informatisches Modellieren - Modelle erstellen und bewerten

Ein wesentlicher Aspekt des Informatikunterrichts ist das Modellieren. Die Schülerinnen und Schüler lernen, eine Problemsituation zu analysieren und ein den Anforderungen entsprechendes Modell zu erstellen und auf den in der Schule vorhandenen Informatiksystemen zu implementieren. Sie erkennen, dass jedes Informatiksystem durch Modellierung eines Weltausschnitts entsteht und dass Modelle Grenzen haben, da sie immer die Realität vereinfachen. Die Begegnung mit unterschiedlichen Modellierungstechniken kann helfen, auch außerhalb des Informatikunterrichts die Strukturierung und Beherrschung großer komplexer Sachverhalte zu ermöglichen.

Durch den Entwurf, die Entwicklung und die Erprobung von Informatiksystemen fördert der Informatikunterricht kreatives und konstruktives Lernen. Die Implementierung mit einer formalen Programmiersprache erfordert exaktes Arbeiten, da schon der kleinste Fehler das komplette Programmsystem funktionsuntüchtig macht. Programmieren verlangt die Gliederung komplexer Probleme in einfacher zu lösende Teilprobleme. Schließlich muss das fertige Programm getestet werden. Dabei setzen sich die Lernenden kritisch und distanziert mit ihren eigenen Arbeitsergebnissen auseinander.

Datenbankmodell und Implementierungsbeispiel aus dem Software-Projekt des Leistungskurses zur BVV-Wahl 2011:

Mit Information umgehen - Information in Form von Daten darstellen und verarbeiten

Zur Lösung informatischer Probleme benötigen die Schülerinnen und Schüler grundlegende Methoden und Strategien zur Beschaffung, Bearbeitung, Strukturierung, Aufbewahrung, Wiederverwendung, Präsentation, Interpretation und Bewertung von Informationen. Beispielsweise verlangt effizientes Programmieren eine gezielte Nutzung von Bibliotheksfunktionen. Die "passende" Funktion muss in einer großen Softwarebibliothek gefunden werden, die - häufig englischsprachige - Dokumentation ist angemessen zu interpretieren, bevor die Funktion syntaktisch und semantisch richtig in das eigene Programmsystem eingebaut werden kann.

Anwendung der Klasse ArrayList aus der Java-Klassenbibliothek in einem Projekt zur Verwaltung von Immobilien:

Informatiksysteme verstehen - Wirkprinzipien kennen und anwenden

Durch die Vielfalt der behandelten Prinzipien, Sprachen, Werkzeuge, Verfahren und Algorithmen aus der Fachwissenschaft Informatik begreifen die Schülerinnen und Schüler die Funktionsweise unterschiedlicher Informatiksysteme. Exemplarisch sind hier zwei Beispiele aus dem Themenfeld "Sprachen und Automaten" dargestellt. In der Informatik werden Sprachen durch Grammatiken formalisiert. Automaten sind in vielen Ausprägungen Teil der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler.

Ein endlicher Automat am Beispiel von Gensequenzen

Die DNA lässt sich als Zeichenkette über dem festen Alphabet aus den Zeichen A, C , G und T aufbauen. Ein endlicher Automat zur Musterkennung soll überprüfen, ob ein Wort die Zeichenkette "GAT" oder "ATA" enthält (Quelle: Walter Gussmann, Paul-Natorp-Oberschule Berlin)

Die Grammatik einer formalen Sprache am Beispiel von arithmetischen Termen

N = { Term, Summand, Faktor, Zahl, Ziffer }
T = { '+','-','*','/','(',')','0','1', .. ,'9'}
s = Term

Produktionsregeln in EBNF-Form:
Term = [Vz] Summand | [Vz] Summand AddOp Term .
Summand = Faktor | Faktor MulOp Summand .
Faktor = Zahl | '(' Term ')' .
Zahl = Ziffer | Ziffer Zahl .
Ziffer = '0' | '1'| .. | '9' .
Vz = '+'|'-' .
AddOp = '+'|'-' .
MulOp = '*'|'/' .

Syntaxbaum für den Ausdruck (2+3)+2*3:

Kommunizieren und Kooperieren - Teamarbeit organisieren und koordinieren

Insbesondere in regelmäßiger Projektarbeit erleben die Schülerinnen und Schüler, dass Teamarbeit bei der Erstellung von Informatiksystemen zwingend erforderlich ist. Jeder Einzelne tritt durch seine spezifischen Stärken für das Gelingen des Gesamtsystems ein. Arbeitsergebnisse müssen ständig kommuniziert, dokumentiert und präsentiert werden. Der Einsatz von Lernplattformen (z. B Moodle, iServ) fördert die selbständige Organisation der Projektarbeit.

Durch die Verwendung freier und offener Software vermittelt der Unterricht ein differenziertes Technikverständnis. Der Informatikunterricht ist keine Produktschulung. Wir vermeiden es, dass Schülerinnen und Schüler mit proprietärer Software arbeiten müssen, die sie sich aus wirtschaftlichen Gründen nicht legal beschaffen können. Neben den Kosten spielt gerade in der Schule die Freiheit der Software eine wichtige Rolle: Der Quellcode der eingesetzten Anwendungen sowie die Datenformate sollten frei zugänglich und veränderbar sein.

Im Unterricht eingesetzte freie und offene Software: Linux, Java, PHP, Java Script, MySQL u.v.m.

Wechselwirkungen zwischen Informatiksystemen, Mensch und Gesellschaft beurteilen - Anwendungen erfassen und Auswirkungen abschätzen

Jugendliche nutzen das Internet sehr stark in der Freizeit, insbesondere zur Kommunikation und zur Selbstdarstellung in sozialen Netzen. Im Informatikunterricht können die damit verbundenen Gefahren und Risiken untersucht werden, z. B. die Sammlung von persönlichen Daten durch verschiedene Interessengruppen oder Cybermobbing. Aber auch die positiven Seiten der "Netzcommunitys", wie interessante eigene Profile, Weblogs oder gut zusammengestellte öffentliche Bookmarklisten können thematisiert werden. Die Erstellung und Gestaltung eigener Internetseiten und die daraus resultierenden Rechte an Texte, Bildern usw. führen zu rechtlichen Aspekten in der Nutzung von Informatiksystemen. Aber auch die Funktionsweise und Auswirkungen von Data Mining werden thematisiert.

Konzeption

Da in der Regel in deutschen Schulen keinerlei technisches Personal vorgesehen ist, das für den störungsfreien Betrieb der Rechneranlagen bereitsteht, und die Systemverwaltung notgedrungen zumeist in den Händen der Lehrkräfte liegt, haben frühzeitig Erkundungen nach Rechnersystemen stattgefunden, die den Installations- und Betreuungsaufwand minimieren. In dieser Hinsicht scheint die Lösung mit "ThinClient"-Arbeitsplätzen und leistungsstarken "FatServern" das absolute Optimum zu sein.

ThinClients sind graphische Terminalarbeitsplätze mit Farbbildschirm, Tastatur und Maus, die keine Festplatte besitzen und keiner lokalen Software-Installation bedürfen. Sie sind platzsparend und besitzen in der Regel auch keine Lüfter, so dass sie - ideal für den Unterrichtseinsatz - absolut geräuschlos sind. Wer sich aufmerksam in großen Betrieben umsieht, wird bald entdecken, dass diese Lösung inzwischen im professionellen Bereich weit verbreitet ist (ich habe sie in großen Möbelhäusern bei der graphischen Planung von Kücheneinrichtungen gesehen, bei Kassensystemen, Autovermietungen u.ä.).

Natürlich ist ein solches System, bei dem alle Programme aller Nutzer ausschließlich auf dem Server laufen, nicht so schnell, wie beim Zugriff auf eine einzelne Workstation, aber alles was im Unterricht vermittelt werden muss (ITG, Informatik) lässt sich problemlos damit erledigen. 30 mal Textverarbeitung, Grafikprogramme, Compileraufrufe, Mailprogramme, Internetsurfen ist ohne Probleme gleichzeitig möglich und die Schüler finden dabei noch Gelegenheit nebenbei Tetris zu spielen. Lediglich bei der Videobearbeitung an mehreren Arbeitsplätzen zur gleichen Zeit gelangt man schnell an die Grenzen der Konzeption.

Aber die Vorteile überwiegen eindeutig: Die Arbeitsplätze sind sehr preiswert, sie können jederzeit ersetzt werden, ohne dass irgendwelche Software installiert werden muss, sie sind extrem zuverlässig, Schülerhände können ihnen nichts anhaben. Alle Software muss nur einmalig auf dem Server installiert werden und steht dann sofort auf allen Arbeitsplätzen zur Verfügung. Gleiches gilt für jede Änderung an der Konfiguration des Systems, es ist problemlos erweiterbar, da nur weitere Thin Clients an das Netz angeschlossen werden müssen.

Die Lösung gibt es für Unix-(Sun)-Systeme, für Windows und für Linux, wobei die meisten ThinClients sowohl in Linux- als auch in Windowsumgebungen eingesetzt werden können. Für Schulen scheint ein Linux-Sever die beste Variante zu sein, denn hier müssen wegen des Einsatzes der open Source Software keine Lizenzbeschränkungen beachtet werden, Softwarekosten fallen in der Regel insgesamt nicht an.

Rechnerräume

Zwei große Rechnerräume mit jeweils 24 Arbeitsplätzen liegen nebeneinander, nur durch eine mit Fenstern und einer Durchgangstür versehenen Wand getrennt. In einem Raum kommen ThinClients als X11-Terminals zum Einsatz, im Nachbarraum stehen Standard-PCs (Senatsausstattung), die mit Windows XP betrieben werden können, aber auch als X11-Terminals mit Hilfe einer Ubuntu-Basisinstallation arbeiten (boot-Manager). Im ersten Fall ist die Software lokal installiert und der Linux-Server arbeitet als Print- und Fileserver für Windows mit Hilfe einer Samba-Installation. Im zweiten Fall sorgt die Installation dafür, dass sich die Rechner wie Igel ThinClients verhalten, allerdings hört man deutlich die Lüfter und die Festplatten.

Für jeden der beiden Räume steht ein Server zur Verfügung, wobei die Heimatverzeichnisse auf dem Hauptserver liegen und beide Server über NIS und NFS miteinander gekoppelt sind.

Ein dritter Raum mit 13 Arbeitsplätzen ist ausschließlich mit ThinClients ausgestattet. Für ihn steht ein weiterer gekoppelter Server zur Verfügung. Über zwei DSL-Leitungen werden die Zugriffe auf das Internet verteilt. In einem vierten Raum mit ebenfalls 13 Arbeitsplätzen kommen Rechner mit einer lokalen Linux-Installation zum Einsatz, die als Workstation oder als X-Terminal mit einem Zugriff auf den Hauptserver verwendet werden können.

Im Nebengebäude hat der Fachbereich Kunst noch eine Rembo-basierte Rechnerinstallation (Senatsprogramm).

Eine ausführliche Beschreibung der Konzeption und Installation unserer Rechneranlage

Eine große Rolle spielte die Kryptologie im 2. Weltkrieg. Jan Peter Brühe stellt die mythenbehaftete Chiffriermaschine ENIGMA vor, mit der die deutsche Marine wichtige U-Boot-Funksprüche verschlüsselte. Dennis Gottschalk schreibt auch über die Enigma und erweitert diesen Themenkomplex um die Funktionsweise von mechanischen Chiffriermaschinen.

Die riesigen Abhörschüsseln aus den Zeiten des Kalten Krieges, die noch heute den Besucher des Berliner Teufelsberges beeindrucken, weisen auf das transatlantische Überwachungssystem ECHELON hin. Jörn Maurer hat Gerüchte und Belege über dieses System gesammelt, welches weiterhin einen großen Einfluss auf unsere Privatssphäre und auf militärische und wirtschaftliche Geheimnisse hat.

Schon im Altertum bereitete die sichere Übergabe des Schlüssels den Kryptologen Kopfzerbrechen. Es sollte bis in die 70er Jahre des 20. Jahrhunderts dauern, bis pfiffige Mathematiker mit sogenannten asymmetrischen Verfahren diese Schwierigkeiten behoben. Stephan Larws stellt unter dem Stichwort "Public-Key-Verfahren" einige dieser Verfahren vor.

Die mathematische Basis asymmetrischer Verfahren bilden Primzahlen. Dass diese etwas mit dem tatsächlichen Leben zu tun haben, klingt überraschend, wird aber durch den RSA-Algorithmus belegt. Nora Schweppe beschreibt die mathematischen Zusammenhänge von RSA, das aufgrund seiner Einfachheit und Sicherheit zum Standard moderner Verschlüsselung geworden ist.

Aus einer Mischung von klassischen symmetrischen und modernen asymmetrischen Verfahren entstand das Computerprogramm "Pretty-Good-Privacy" (PGP) , welches viele Menschen zum Verschlüsseln ihrer E-Mails und zum Anlegen digitaler Signaturen verwenden. Mit diesem frei zugänglichen Programm hat sich Ole Mallow auseinander gesetzt.

Welche große Rolle Verschlüsselungstechnologien in unserem Alltag spielen, zeigt Lars Morres in seiner Arbeit über die Sicherheit von Chipkarten.

Ein gewöhnlicher Internet-Nutzer setzt die Daten auf seinem Rechner einem hohen Sicherheitsrisiko aus. Clarissa Hanisch und Andre Monson beschreiben solche Risiken und wie man sich gegen diese schützen kann.

Welche Rolle spielen Trojanische Pferde in der Informatik? Zu dieser und zu anderen Fragen im Zusammenhang mit Computerviren hat Christian Eggert aktuelle Informationen aus dem Internet recherchiert.

Abgerundet wird die Sammlung mit einer Zusammenfassung von Marcus Gick über den aktuellen Stand der Diskussion zu rechtlichen und politischen Bedingungen für den Einsatz von Verschlüsselungstechnologien in Deutschland.

Alle Arbeiten stammen von Schülerinnen und Schülern, die im ersten Unterrichtsjahr das Fach Informatik in einem Basiskurs (11. Klasse) oder in einem Grundkurs (12. Klasse) belegt haben. Die Facharbeiten waren Teil des Unterrichts und wurden innerhalb von zwei Monaten geschrieben.

Wir wünschen allen Leserinnen und Lesern viel Vergnügen.

Alexander Dietz, Januar 2003

• Kongress der Informatik für Schülerinnen und Schüler 2006 KISS
• Berliner Morgenpost berichtet über den Schülerkongress KISS
• Erfolgreiche Teilnahme beim bundesweiten Wettbewerb Informatik-BIBER
• 2008
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• 2015
• AG Robotik mit Lego Mindstorm, Arduino usw.