Ziele und Inhalte des Informatik- unterrichts

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lwIJu~ 2DM 9311 Ansatz) verständlich. Ein .geläuterter" algorithmenorientierter Ansatz hat diese einseitige Sicht längst revidiert und nutzt z. B. die algorithmische Nachbildung von Rechnerstrukturen als methodisches Hilfsmittel. 2.4 Systemorientierter Ansatz (seit 1990) Eine zeitgemäße didaktische WeiterentWicklung des Informatikunternchts könnte bzw. müßte sich systemorientiert nennen. Dem liegt folgende Überlegung zugrunde: Der Systembegriff ist der umfassende Strukturbegriff aller Wissenschaft; in ihmkommt zur Sprache, daß es neben den Kategorieff Materie und Energie noch ein Drittes gibt, nämlich Ordnung bzw. Organisation. Letzteres aber ist ein Synonym für Information -insofern. verweist der Systembegriff auf den Informationsbegriff zurück. Als angemessene Bezeichnung für "DV-System", "informationsverarbeitendestechnisches System", "Programmiersystem" usw. wird hiermit der Begriff lnfonnatiksystem vorgeschlagerl; der aus den Anfangsjahren der Informatik in Deutschland stammt (Steinbuch 1957). Wie jedes informationsverarbeitende System (der belebten und der unbelebten Welt) ist ein Informatiksystem aus materiellen (Hardware-) und immateriellen (SoftWare- ) Bestandteilen zusammengesetzt. Es besteht aus (mindestens) einer Dialogkomponente, einer Gedächtniskomponente und einer Verarbeitungskomponente (siehe auch 4.1). Bei dieser Sicht ist klar, daß der Informatikunterricht weder einseitig die Hardware-, noch ausschließlich die SoftWareseite favorisieren daif. Ferner ist auch die Perspektive des Benutzers einzubeziehen, denn dieser erfährt das System nicht so sehr als materielles Gerät und erst recht nicht als Programm, sondern er kommuniziert mit ihm über die "Benutzeroberfläche" .Deren Gestaltung kommt beim Entwurf von Informatiksystemen somit entscheidende Bedeutung zu. Damit ist informatisches Problemlösen als Systementwicklung (EntWicklung eines Informatiksystems) charakterisiert, wobei natürlich die genannten Informatikmethoden ihre zentrale Stellung behalten. Ferner wird der Computer nicht als isoliertes Einzelgerät, sondern als Teil umfassender Systeme gesehen. In diesem Sinne läßt sich der systemorientierte Ansatz als Synthese der bisherigen Ansätze ( einschließlich der Vorgeschichte) verstehen. 3. Richtziele des Informatikunterrichts Jede neue Technik entWickelt sich vor dem Hintergrund eines impliZiten Verständnisses vom Wesen des Menschen und von menschlicher Arbeit. Der Umgang mit Technik wiederum führt zu grundlegenden Änderungen unseres HandeIns -und damit letztlich unserer Auffassung dessen, was es heißt, Mensch zu sein. Winograd / Flores Anknüpfend an die herkömmliche Dreiteilung der Ziele und Inhalte des Informatikunterrichts nach den Gesichtspunkten "Problemlösen mit dem Computer", "StruktUr und Funktionsweise von Rechenanlagen" sowie "theoretische Grundlagen und Grenzen der Informationstechnik" werden im folgenden drei Leitfragen des Informatikunterrichts formuliert: A)Wie werden Informatiksysteme entworfen, programmiert und damit zum Lösen lebensweltlicher Probleme befähigt? Im Begriff des Informatiksystems kommt zur Sprache, daß es in der Informatik nicht nur um den Entwurf von Algorithmen, sondern um den von Systemen (aus Hard- und Software) geht, die damit einerseits "vom Menschen" geschaffen werden und andererseits auf diesen zurückwirken. Das Abstraktum ~Mensch" muß dabei in verschiedenen sozialen Rollen (als Auftraggeber, Entwickler, Anwender usw.) konkretisiert, und der Prozeß der Systementwicklung auch als sozialer Prozeß begriffen werden. Der Terminus ~befähigen" soll die Frage provozieren, ob Informatiksystemen Problemlösefähigkeiten (und damit Intelligenz) oder gar Personalität zugesprochen werden kann bzw. muß, und wie es in diesem Zusammenhang um die Autonomie des Menschen als Handlungs- und Verantwortungssubjekt bestellt ist. B) Wie sind I nformatiksysteme aufgebaut, wie wirken ihre Komponenten zusammen und wie ordnen sie sich in umfassendere soziotechnische Systemzusammenhänge ein? Hier ist zu thematisieren, daß Informatiksysteme aus - untereinanderwechselwirkenden -Teilsystemen aufgebaut sind, daß sie in andere technische Systeme "eingebettet" werden und sich zu größeren Systemen (Netzen, verteilten Systemen) zusammenschließen können- Hinsichtlich der Teilsysteme geht es u. a. um die Idee der Programmierbarkeit (Computer als universelle symbolverarbeitende Maschine). Das Stichwort "soziotechnisch" weist darauf hin, daß Informationstechnik in die Gesellschaft verwoben ist, und daß Informa - tiksysteme aus einer sozialen Lebenswelt entstehen und umgekehrt auf diese zurückwirken. C)Wo liegen die prinzipiellen Grenzen technischer InformationS'Verarbeitung, und was ist unter Information und Kommunikation überhaupt zu verstehen? Diese Frage zielt -auf höherer Reflexionsstufe als in Leidrage A -auf das Verhältnis von Individuum, Informationstechnik und Gesellschaft bzw. Natur. Es geht einerseits um die Grenzen des verantwortbaren Computereinsatzes; dabei wird "Grenze" als moralische Kategorie verstanden. Andererseits geht es um prinzipielle Grenzen der Idee der Information und ihrer Verarbeitung, und zwar im Hinblick auf menschliches Denken, Sprechen und Handeln, also das Bild des Menschen von sich selbst. Mit der Frage nach "Information und Kommunikation überhaupt" wird zum einen die Tatsache angesprochen, daß es nicht nur und nicht erst beim Menschen bzw. in der menschlichen Gesellschaft Informations- bzw. Kommunikationsprozesse gibt, und zum anderen, daß die Informatiknicht nur praktische Konstruktionslehre, sondern Grundlagenwissenschaft aller Informations- bzw. Kommunikationsprozesse und damit zur interdisziplinären Zusammenarbeit mit anderen Schulfächern verpflichtet ist. Im folgenden werden die fachlichen Richtziele (Groblernziele) des Informatikunterrichts in Korrespondez zu den oben angegebenen drei Leidragen entwickelt. A) Problemlösen als methodischer Entwurf von Informatiksystemen Die Schüler und Schülerinnen sollen: Al Typische Einsatzbereiche und exemplarische Anwendungen der Informationstechnik in Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft kennen und ihren Einsatz hinsichtlich der Folgen für die soziale und natürliche Umwelt reflektieren; Al Methoden der ModelIierung von Realitätsausschnitten kennen, anwenden und kritisch hinterfragen (z. B. im Hinblick auf die Grenzen dieser Methoden, das Interesse an ihrer Verwendung); 12
L..1JIVl '1;) 11 Analysen A3 Eine problemadäquate Auswahl von Werkzeugen zur Lösung von Problemen treffen und die Auswahl begründen (z. B. Programmiersprachen, standardsoftware, Entwicklungsumgebungen, Rahmensysteme (Shells»; A4 Methoden des EntWUrfs von Informatiksystemen kennen und anwenden (z. B. Top-Down- Vorgehen, Modularisierung, objektorientierte bzw. deklarative Methoden, Prototyping); AS Probleme hinsichtlich ihrer Komplexität sowie Algorithmen hinsichtlich Zuverlässigkeit (Korrektheit, Validität) und Effizienz beurteilen. B) Struktur und Funktion von Informatiksystemen im soziotechnischen Kontext Die Schüler und Schülerinnen sollen: B I Die Prinzipien der Digitalisierung und der binären Codierung von Daten als Grundlage technischer Informationsverarbeitung kennen und bewerten; Bl Die Idee der Informationsverarbeitung durch programmgesteuerte Automaten und die zugehörige Rechnerarchitekturen ( von- N eumann- Architektur, Parallelarchitekturen) verstehen; B3 Funktion und logische Strukturvon Datenbank- und Informationssystemen kennen; B4 Struktur und Funktion von Netzen zur Informationsübertragung in ihrer Eigenschaft als soziotechnische Systeme begreifen und analysieren; BS Risiken komplexer Hard- und Softwaresysteme kennen und hinsichtlich ihres Einsatzes für Planungs- und Entscheidungsprozesse abschätzen. C) Prinzipielle Grenzen technischer Informationsverarbeitung sowie grundlegende Konzepte von Information und Kommunikation Die Schüler und Schülerinnen sollen: Cl Computer als universelle symbolverarbeitende Maschinen begreifen und in die geschichtliche Entwicklung von Technik und Kultur einordnen; Cl Prinzipien formaler und natürlicher Sprachen, deren Zusammenhang sowie die Grenzen formaler Kommunikation kennen; C3 Grundlegende Konzepte symbolischer und subsymbolischer Informationsverarbeitung (Konnektionismus, neuronale Netze) kennen und miteinander vergleichen; C4 Prinzipielle Grenzen der Berechenbarkeit und der Effizienzsteigerung kennen; Cs Die Grenzen des Einsatzes von Informationstechnik aufgrund individueller und gesellschaftlicher Verantwortung kennen und beachten. 4. Einzelfragen 4.1 Theoretische Informatik im Unterricht \ Daß Theorie ihre Selbständigkeit zurückgewinnt, ist das Interesse von Praxis selber. Adomo Der Informatikunterricht muß stets die theoretischen Grundlagen stärker akzentuieren als die heute wichtigenmorgen aber vielleicht überholten Anwendungen. Goos Wie jede Wissenschaft hat die Infonnatik ein theoretisches Fundament -eine Tatsache, an der auch der Schulunterricht nicht vorbeikommt. Was bliebe beispielsweise vom Bildungsgehalt der Physik, wenn die theoretischen Inhalte der Kinematik, der Warmelehre oder der Elektrik im Unterricht ausgespart würden? Nur mit Hilfe theoretischer Begriffe läßt sich über die prinzipiellen Grenzen der Informationstechnik etwas aussagen, denn das "Prinzipielle", d. h. das durch keinen technischen Fortschritt je Einholbare, ist selbst ein theoretisches Konstrukt. Die Meinung, "mit genügend schnellen und genügend vielen Computern können wir alle unsere Probleme bewältigen, ist ein Irrglaube" (Kerner 1990). Ihm nicht zu verfallen ist ein Moment kritischen Vernunftgebrauchs und damit von Bildung (siehe 1.1). Nur das überzeugende Eintreten für Algorithmenbzw. Systementwicklung als methodisch geleitete, theoretisch fundierte T.itigkeit wirkt der bei vielen Schülern verbreiteten Hacker-Mentalität entgegen, die das Wesen der Informatik im versierten Umgang mit dem Betriebssystem bzw. in Fertigkeiten beim (trickreichen, maschinennahen) Programmieren erblickt, und in denen jene Schüler sich dem Lehrer häufig überlegen glauben (und oft tatsächlich auch sind). Methodisch ist dabei lolgendes zu beachten: Die Behandlung von Themen der theoretischen Informatik darf nicht nach Art der Hochschule geschehen, d. h. nicht isoliert und auf Vorrat, sondern sollte möglichst aus einem Anwendungszusammenhang heraus entstehen und in ein praktisches Programmierprojekt münden. Die Inhalte sind elementarisiert und didaktisch reduziert darzubieten, ohne dabei die wesentlichen Einsichten zu verfälschen. Das soll am Beispiel "Aufbau und Funktionsweise von Rechenanlagen" verdeutlicht werden. Dieses Thema war ja dadurch in Verruf geraten, daß es sich zur Spielwiese für technisch begeisterte Lehrer und Schüler entwickelt hatte, die ihre Freude an technischen Detailfragen ungehemmt auslebten. Dabei überwogen zeitbedingte, also vom technischen Fortschritt rasch überholte Lösungen. Schnell veraltetes technisches Detailwissen aber ist der Überlieferung bzw. der unterrichtlichen Behandlung, welche ja auf das Prinzipielle, Wesentliche und Invariante zielt, nicht würdig. Der hardwareorientierte didaktische Ansatz (siehe 2.2) hatte offenbar den Nachweis nicht zu erbringen vermocht, daß die techriischen Ideen, die zur Realisierung des heutigen Computers führen, durchaus überlieferungswürdig sind, da ohne ihr Verständnis dieser nicht begriffen werden kann. Zum Herausarbeiten der "fundamentalen Ideen" sind nun gewisse theoretische Begriffe und Denkmethoden erforderlich- Grundlegend ist das Prinzip der Zweiwertigkeit, welches sowohl die klassische Logik als auch die Digitaltechnik beherrscht: (1) Jede Information läßt sich binär, d. h. als Folge von Binärzeichen darstellen. Die Gründe, dies zu tun, sind sowohl technischer als auch philosophischer Natur (Leibniz). (2) Jede Verarbeitung binär dargestellter Zeichen ist sowohl arithmetisch als auch logisch interpretierbar; Logik und Rechnen mit Zahlen stützen sich auf die gleichen binären Operationen. (3) Die technische Realisierung der binären Funktionen sind die digitallogischen Gatter und die daraus aufgebauten Schaltnetze. Damit ist bereits im Grundzug erklärt, daß scheinbar "geistige" T.itigkeiten wie Rechnen und logisches Schließen materiellen Geräten überantwortet werden können, und wie dies heute technisch bewerkstelligt wird. Als nächstes muß der Begriff des Systems bzw. des Automaten präzisiert werden. Jedes System läßt sich in seinem Aufbau durch drei Komponenten kennzeichnen, nämlich (A) Ein-/ Ausgabekomponente, (B) Gedächtniskomponente und (C) Verarbeitungskomponente (einschließlich Steuerung). Dies gilt sowohJ für lebende als auch für technische Systeme. Zur Verhaltensbeschreibung 13
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