Informatik

Rechtliche Grundlage, Kompetenzerwartungen

Kernlehrplan für die Sekundarstufe I – Klasse 5 und 6 in Nordrhein-Westfalen

Die Reihenfolge der Unterrichtseinheiten kann variiert werden.

Jahrgangsstufe 5

Wir präsentieren uns als Avatar – Was ist ein Informatiksystem und wie kann ich es für ein projektartiges Vorhaben nutzen?

Umfang: 8 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren und Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltliche Schwerpunkte

• Information und Daten: Informationsgehalt von Daten
• Informatiksysteme: Aufbau und Funktionsweise von Informatiksystemen und Anwendung von Informatiksystemen
• Informatik, Mensch und Gesellschaft: Informatiksysteme in der Lebens- und Arbeitswelt und Datenbewusstsein

Konkretisierung

Informatiksysteme kennenlernen und nutzen

Dieses Unterrichtsvorhaben steht am Anfang des Informatikunterrichts in der Sekundarstufe I. Um den Schülerinnen und Schülern eine alltagsrelevante Anknüpfung zu ermöglichen und eine hohe Motivation zu erzeugen, ist dieses Unterrichtsvorhaben projektartig angelegt.
Die Schülerinnen und Schüler präsentieren sich in diesem Alter vielleicht schon im Netz, z. B. auf Kommunikationsplattformen, in Onlinespielen, auf sozialen Plattformen. Eine gemeinsame Präsentation als Klasse kann dabei helfen, eine Klassenidentität zu entwickeln, eine Identifikation mit der Schule zu finden und das neue Lernumfeld kennenzulernen.
Die Motivation der Schülerinnen und Schüler wird zudem dadurch verstärkt, indem gleich zu Beginn des Informatikunterrichts die an der Schule verfügbaren Informatiksysteme genutzt werden.
Das Prinzip der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe (EVA-Prinzip) wird ebenso dargestellt wie die Verantwortung des Anwenders von Informatiksystemen, ohne dass diese schon im Detail untersucht werden. Die Festlegung von Kriterien für die Erstellung eines Avatars und die Nutzung der konkreten Softwareprodukte sollte unter Berücksichtigung ausgewählter Aspekte des Datenschutzes erfolgen.

• Nutzung von Informatiksystemen in einem konkreten Kontext
• Grundlegende Komponenten von Informatiksystemen
• Nutzung der schuleigenen Geräte
• Umgang mit dem schuleigenen Netzwerk bzw. der schuleigenen Lernplattform
• Erstellung eines eigenen Avatars
• Festlegung von Kriterien (unter Berücksichtigung ausgewählter Aspekte des Datenschutzes) für die Erstellung eines Avatars
• Das Prinzip der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe bei Informatiksystemen
• Austausch von Dateien über das Schulnetzwerk, das Prinzip von Upload, Download und Verlinkung

2. Thema: Von der Anweisung zum Algorithmus

Umfang: 12 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren und Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltliche Schwerpunkte

• Information und Daten: Daten und ihre Codierung und Informationsgehalt von Daten
• Algorithmen: Algorithmen und algorithmische Grundkonzepte und Implementation von Algorithmen

Konkretisierung

Algorithmen , darstellen und nutzen

Dieses Unterrichtsvorhaben thematisiert grundlegende Strukturen algorithmischer Prozesse. Zum einen wird den Schülerinnen und Schülern die Notwendigkeit der Formulierung präziser Handlungsanweisungen verdeutlicht. Zum anderen erfahren die Schülerinnen und Schüler die Wichtigkeit der richtigen Chronologie von Anweisungen.
Die Schülerinnen und Schüler kennen diese Aspekte aus alltäglichen Vorgängen wie Abendrituale (Zähneputzen und ähnlichem) oder auch aus Back- und Kochrezepten. Hier werden sie zum ersten Mal angeleitet, diese Strukturen auch auf theoretischer Ebene anzuwenden. Eine formal chronologische Herangehensweise an eine theoretische Aufgabenstellung wird ihnen in vielen Bereichen des Lernens fächerübergreifend immer wieder begegnen.
Das Unterrichtsvorhaben ist so angelegt, dass es zu einem Großteil ohne die Nutzung von an der Schule verfügbaren Informatiksystemen durchgeführt werden kann. Erst am Ende wird den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit gegeben, das Gelernte am Rechner umzusetzen und zu erleben. Dabei vertiefen sie die Grundstrukturen und Funktionsweisen algorithmischer Prozesse.

• Eindeutligkeit von Anweisungen
• Stichworte/Pseudocode und Prgrammablaufpläne (PAP) als Darstellung
• eigene einfache Algorithmen planen (Sequenzen)
• Verzweigungen und Modularisierung
• Zahlschleifen und allgemeine Schleifen
• digitale Umsetzung des Gelernten

3. Thema: Suchen und Sortieren auf linearen Datenstrukturen

Umfang: 16 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Algorithmen
• Formale Sprachen und Automaten

Inhaltliche Schwerpunkte

• Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen
• Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache

Konkretisierung

Suchen von Daten in Listen und Arrays

• lineare Suche auf Listen und in Arrays
• binäre Suche in Arrays als Beispiel für rekursives Problemlösen mit dem „Divide and Conquere“-Verfahren
• Effizienzuntersuchungim Hinblick auf Laufzeit und Speicherbedarf

Sortieren in Listen und Arrays

• Entwicklung und Implementierung mindestens eines einfachen Sortierverfahrens für eine Liste
• Implementierung mindestens eines einfachen Sortierverfahrens für ein Array
• Entwicklung und Implementierung eines rekursiven Sortierverfahrens für eine Liste oder ein Array (QuickSort, MergeSort)

Effizienzuntersuchungen von Sortieralgorothmen

(z.B. InsertionSort und QuickSort)

• Grafische Visualisierung von Sortierverfahren
• Untersuchung der Anzahl der Vergleichsoperationen und des Speicherbedarfs (Zählen, programmgestütztes Zählen, Analyse – O-Notation)

4. Thema: Modellierung und Nutzung von relationalen Datenbanken in Anwendungskontexten

Umfang: 20 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Daten und ihre Strukturierung
• Algorithmen
• Formale Sprachen und Automaten
• Informatiksysteme
• Informatik, Mensch und Gesellschaft

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Datenbanken
• Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache
• Sicherheit

Konkretisierung

Nutzung von relationalen Datenbanken

am Beispiel von unterschiedlichen Anwendungsfällen/Datenbanken

• Aufbau von Datenbanken und Grundbegriffe
  • Entwicklung von Fragestellungen zur vorhandenen Datenbank
  • Analyse der Struktur der vorgegebenen Datenbank und Erarbeitung der Begriffe Tabelle, Attribut, Datensatz, Datentyp, Primärschlüssel, Fremdschlüssel, Datenbankschema
  • relationale Algebra
• SQL-Abfragen
  • Analyse und Erarbeitung von einfachen SQL-Abfragen auf einer Tabelle ( SELECT (DISTINCT) …FROM, WHERE, AND, OR, NOT )
  • Analyse und Erarbeitung SQL-Abfragen auf mehreren Tabellen ( (INNER) JOIN, UNION )
  • Verwendung von Aggregatfunktionen und weiterem zur Beantwortung von Fragestellungen (AS, GROUP BY,ORDER BY, ASC, DESC, COUNT, MAX, MIN, SUM , Arithmetische Operatoren: +, -, *, /, (…), Vergleichsoperatoren: =, <>, >, <, >=, <=, LIKE, BETWEEN, IN, IS NULL )

Modellierung von relationalen Datenbanken

• ER-Diagramme (Entity-Relationship-Diagramm)
  • Ermittlung von Entitäten, zugehörigen Attributen, Relationen und Kardinalitäten in Anwendungssituationen und Modellierung eines Datenbankentwurfs in Form eines Entity-Relationship-Diagramms
  • Erläuterung und Modifizierung einer Datenbankmodellierung
• Entwicklung einer Datenbank aus einem Datenbankentwurf
  • Modellierung eines relationalen Datenbankschematas zu einem Entity-Relationship-Diagramm inklusive der Bestimmung von Primär- und Sekundärschlüsseln

Normalformen

• Untersuchung einer Datenbank hinsichtlich Konsistenz und Redundanz in einer Anwendungssituation
• Überprüfung von Datenbankschemata hinsichtlich der 1. bis 3. Normalform und Normalisierung

Neu: Abfrage und Manipulation von Daten aus Java-Programmen heraus mit der Klasse DatabaseConnector

5. Thema: Sicherheit und Datenschutz in Netzstrukturen

Umfang: 10 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Informatiksysteme
• Informatik, Mensch und Gesellschaft

Inhaltliche Schwerpunkte

• Einzelrechner und Rechnernetzwerke
• Sicherheit
• Nutzung von Informatiksystemen, Wirkungen der Automatisierung

Konkretisierung

Daten in Netzwerken und Sicherheitsaspekte in Netzen sowie beim Zugriff auf Datenbanken

• Beschreibung eines Datenbankzugriffs im Netz anhand eines Anwendungskontextes und einer Client-Server-Struktur zur Klärung der Funktionsweise eines Datenbankzugriffs
• Netztopologien als Grundlage von Client-Server-Strukturen und TCP/IP-Schichtenmodell als Beispiel für eine Paketübermittlung in einem Netz
• Vertraulichkeit, Integrität, Authentizität in Netzwerken sowie symmetrische und asymmetrische kryptografische Verfahren (Cäsar-, Vigenère-, RSA-Verfahren) als Methoden Daten im Netz verschlüsselt zu übertragen

Fallbeispiele zur Datenschutzproblematik und zum Urheberrecht

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf das erste Jahr des zweijährigen Kurses Informatik/Physik im Wahlpflichtbereich der Stufen 8 und 9. Das zweite Jahr hat einen physikalisch-technischen Schwerpunkt; es wird daher durch die Fachgruppe Physik beschrieben.

Angestrebte Kompetenzen

• Internet-Seiten unter Verwendung von CSS gestalten und unter Einbindung von JavaScript-Programmen mit informationsverarbeitender Intelligenz ausstatten können
• Grundelemente und -prinzipen der Informationsverarbeitung kennen und zur Beschreibung und Lösung von Problemen einsetzen können
  • Algorithmische Grundstrukturen
  • Elementare Prinzipien der Datenverarbeitung
  • Grundbausteine der mathematischen Logik und der Schaltelektronik

Inhalte

• Einführung in das Erstellen von Internetseiten (HTML)
• Einführung in die Algorithmik
  • Anweisungsblöcke
  • Verzweigungen
  • Schleifen
  • (Unter-) Funktionen
  • (Kleine) Projekte
• Einführung in die Elementare Datenverarbeitung mit JavaScript
  • Organisaton der Ein- und Ausgabe über Textfelder
  • Belegung von Tasten mit Aktionen
  • Variablenkonzept
  • EVA-Prinzip
  • Übertragung der algorithmischen Grundstrukturen
  • (Kleine) Projekte
• Datenstrukturen (Arrays)
• Boolesche Algebra
  • Aussagen und ihre logische Verknüpfungen
  • Grundelemente für Schaltungen
  • Simulation von Schaltungen in HTML-Seiten
  • Rechengesetze der Booleschen Algebra, Termumformungen
• Textmanipulation
  • Array-Struktur von Zeichenketten
  • Erste Schritte in die Kryptografie

Erwartungen an die Schüler

• Selbständigkeit in der Bearbeitung von Aufgabenstellungen
• Selbständige Nutzung von Informationsquellen (z.B. Hilfedateien)
• Konzentrierte unterrichtliche Mitarbeit
• Genauigkeit bei der Umsetzung von Entwürfen
• Geduld bei der häuslichen Entwicklung von Programmen

Geistige Voraussetzungen

• Mathematisches Verständnis
• Logisches Denkvermögen

Materielle Voraussetzungen

• Zugang zu einem Computer
• Ein Internet-Anschluss ist wünschenswert, aber nicht zwingend erforderlich.
• USB-Stick für den Datentransport

Rechtliche Grundlage

Kernlehrplan des Landes Nordrhein-Westfalen für das Fach Informatik in der Gymnasialen Oberstufe

Die Reihe „Einführung in die Nutzung von Informatiksystemen und in grundlegende Begrifflichkeiten“ findet von Beginn des Schuljahres bis zum Betriebspraktikums der Einführungsphase statt.

Inhalte des ersten Halbjahres

1. Thema: Einführung in die Nutzung von Informatiksystemen und in grundlegende Begrifflichkeiten

Umfang: 8 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Informatiksysteme
• Informatik, Mensch und Gesellschaft

Inhaltliche Schwerpunkte

• Einzelrechner
• Dateisystem
• Internet
• Einsatz von Informatiksystemen

Konkretisierung

• Allgemeine Einführung in das Fach Informatik
• Darstellung von Daten in Rechnersystemen durch ASCII, Binär- und Hexadezimalzahlen
• Grundlegender Aufbau eines Rechners anhand des EVA-Prinzips und der Von-Neumann-Architektur
• Zusammenhänge von Datenkodierung, Datenübermittlung und Datenverarbeitung

2. Thema: Grundlagen der objektorientierten Analyse und Modellierung anhand von statischen Grafikszenen

Umfang: 21 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Modellieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Daten und ihre Strukturierung

Inhaltliche Schwerpunkte

• Objekte und Klassen

Konkretisierung

• Einführung der Konzepte Klasse, Objekt, Attribut, Methode und Datentyp mittels Objekt- und Klassenkarte
• Modellierung von statischen Grafikszenen und lebensweltbezogenen Beispielen
  • Darstellung durch UML-Klassendiagramme (Entwurfs- und Implementationsdiagramme)
  • Einbeziehung von Beziehungen zwischen Objekten durch das Konzept Assoziationen mit Multiplizitäten (Komposition und Aggregation als Spezialfälle)
• Implementierung der Klassen durch Erstellen eines Klassengerüstes anhand der Diagramme und Ergänzung von Sequenzen aus Methodenaufrufen mit der Stifte und Mäuse Bibliothek
  • Methodenaufrufe und Punktnotation; optional: Sequenzdiagramme
  • Parameter und Rückgabewerte
  • Anweisung und Zuweisung
  • Dokumentation mit JavaDoc
  • Initialisierung von Klassen durch Aufrufen des Konstruktors
  • Überladen von Methoden
  • statische Attribute (→ Konstanten)

3. Thema: Grundlagen objektorientierter Programmierung und algorithmischer Strukturen in Java anhand einfacher Simulationen

Umfang: 21 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Implementieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Daten und ihre Strukturierung
• Algorithmen
• Formale Sprachen und Automaten

Inhaltliche Schwerpunkte

• Objekte und Klassen
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache
• Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen

Konkretisierung

Fortführung gelernter Konzepte der objektorientierten Modellierung und Programmierung mit Hilfe von Greenfoot und BlueJ:

• Kontrollstrukturen
  • Verzweigung
  • Ausdrücke und Vergleichsoperatoren
  • zählergesteuerte Schleife
  • kopfgesteuerte Schleife
• lokale Variablen
• Darstellung und Implementierung einfacher Algorithmen
  • als Programmablaufplan
  • in Pseudocode
  • in Java-Quellcode
• Einführung in die Vererbung anhand der Actor-Klasse in Greenfoot
• Vertiefung der Konzeptes der Vererbung anhand eines oder zwei weiteren Projekte (Überschreiben, abstrakte Klasse), falls möglich in Kombination mit dem Konzept Rekursion
• statische Methoden

Inhalte des zweiten Halbjahres

4. Thema: Erstellung und Einsatz von grafischen Benutzerschnittstellen (GUI)

Umfang: 15 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Modellieren
• Darstellen und Interpretieren
• Implementieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Formale Sprachen
• Informatiksysteme
• Einsatz von Informatiksystemen
• Informatik, Mensch und Gesellschaft

Inhaltliche Schwerpunkte

• Objekte und Klassen
• Daten und ihre Strukturierung
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache

Konkretisierung

Erstellung von grafischen Benutzerschnittstellen mit Hilfe der Klassenbibliothek Stifte und Mäuse (SuM)

• Einführung der UI-Komponenten
• Event-Handling
• Export eines Projektes in eine JAR-Datei
• intensivere Nutzung der Klasse String

Die Anwendungsfälle entstammen dem Bereich der Textmanipulation:

• Zählen von Buchstaben/Wörtern
• Cäsar-Verschlüsselung

5. Thema: Such- und Sortieralgorithmen anhand kontextbezogener Beispiele

Umfang: 24 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Algorithmen
• Daten und ihre Strukturierung
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Datenstruktur Array
• Kontrollstrukturen
• Algorithmen zum Suchen und Sortieren
• Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen

Konkretisierung

Vorbereitende Einführung der Datenstruktur Array:

• einfache eindimensionale Arrays
  • Ganzzahlen-Arrays (int[])
  • Zeichen-Arrays (char[]) und ihr Bezug zu Zeichenketten (Klasse String)
  • Einlesen von Dateien in String-Arrays
• Durchlaufen von Arrays mithilfe einer zählergesteuerten Schleife
• Suche von besonderen Elementen als vorbereitende Übung (größtes Element, kleinstes Element, Anzahl von Elementen mit bestimmten Kriterien)

Enaktive Erarbeitung von Such- und Sortiervorgängen:

• Selectionsort
• Bubblesort
• Insertionsort
• Quicksort (optional)

Laufzeitanalysen:

• Durchführung einer nicht-formalen Aufwandsanalyse durch Zählen der Vergleiche.
• Binäre Suche auf sortierten Daten

Implementierungen:

• Sortieralgorithmen: Bubblesort und Selectionsort
• Suche: Linear und Binär
• Optional: Quicksort

6. Thema: Geschichte der digitalen Datenverarbeitung und die Grundlagen des Datenschutzes

Umfang: 15 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Informatik, Mensch und Gesellschaft
• Informatiksysteme

Inhaltliche Schwerpunkte

• Wirkungen der Automatisierung
• Geschichte der automatischen Datenverarbeitung
• Digitalisierung

Konkretisierung

Selbständige Erarbeitung der folgenden Themen:

• Geschichte der Digitalisierung
  (Vom Morsecode zum modernen Computer)
• Kryptographie
  (Caesar, Enigma etc.)
• Darstellung von Zahlen
  (Stellenwertsysteme)
• Kodierung von Texten, Farben etc.
  (ASCII, RGB etc.)
• Datenschutz in Zeiten der Digitalisierung
  (Verschlüsselung im Netz, NSA etc.)

Rechtliche Grundlage

Kernlehrplan des Landes Nordrhein-Westfalen für das Fach Informatik in der Gymnasialen Oberstufe

Die Reihenfolge der Unterrichtseinheiten kann variiert werden.

Qualifikationsphase Q1

1. Thema: Wiederholung der objektorientierten Modellierung und Programmierung anhand kontextbezogener Problemstellungen

Umfang: 8 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Daten und ihre Strukturierung
• Algorithmen
• Formale Sprachen und Automaten
• Informatiksysteme

Inhaltliche Schwerpunkte

• Objekte und Klassen
• Analyse, Entwurf und Implementierung
  von Algorithmen
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache
• Nutzung von Informatiksystemen

Konkretisierung

Objektorientierte Modellierung

In dieser Sequenz werden Inhalte der Stufe EF anhand von ein oder zwei Projekten wiederholt und vertieft.

• Modellierung von Klassen mit Attributen, Methoden und Assoziationen
• Zuordnen von geeigneten Sichtbarkeiten
• Implementierung von Klassen
• Nutzung von Werkzeugen zur Erstellung von Diagrammen
• Verfahren zum Test von Informatiksystemen
• Dokumentation von Klassen
• Vererbungsbeziehungen mit abstrakten und nicht-abstrakten Klassen; Interfaces
• Kommunikation zwischen Objekten (→ Sequenzdiagramm)

2. Thema: Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen, linearen Datenstrukturen

Umfang: 20 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Daten und ihre Strukturierung
• Algorithmen
• Formale Sprachen und Automaten

Inhaltliche Schwerpunkte

• Objekte und Klassen
• Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen
• Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache

Konkretisierung

Datenstruktur Warteschlange

• Einstieg in die linearen-Datenstrukturen in Abgrenzung zum Array
• Operationen der Datenstruktur Warteschlange
• interne Funktionsweise der Operationen der Datenstruktur Warteschlange
• Modellierung und Implementierung einer Anwendung unter Verwendung eines oder mehrerer Objekte der Klasse Queue

Datenstruktur Stapel

• LiFo-Prinzip
• Operationen der Datenstruktur Stapel
• interne Funktionsweise der Operationen der Datenstruktur Stapel
• Modellierung und Implementierung einer Anwendung unter Verwendung eines oder mehrerer Objekte der Klasse Stack

Datenstruktur Liste

• Erarbeitung der Vorteile der Liste gegenüber den beiden anderen Datenstrukturen
• Operationen der Datenstruktur Liste
• interne Funktionsweise der Operationen der Datenstruktur Liste
• Modellierung und Implementierung einer Anwendungen unter Verwendung eines oder mehrerer Objekte der Klasse Liste

Die Anwendung der Datenstruktur Warteschlange, Stapel oder Liste wird in mindestens einem weiteren komplexen Kontext vertieft.

Bei der Bearbeitung der Projekte wird ein einfaches Swing-basiertes MVC-Prinzip, das auf dem Beobachter-Beobachteter-Muster basiert eingeübt.

3. Thema: Suchen und Sortieren auf linearen Datenstrukturen

Umfang: 16 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Algorithmen
• Formale Sprachen und Automaten

Inhaltliche Schwerpunkte

• Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen
• Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache

Konkretisierung

Suchen von Daten in Listen und Arrays

• lineare Suche auf Listen und in Arrays
• binäre Suche in Arrays als Beispiel für rekursives Problemlösen mit dem „Divide and Conquere“-Verfahren
• Effizienzuntersuchungim Hinblick auf Laufzeit und Speicherbedarf

Sortieren in Listen und Arrays

• Entwicklung und Implementierung mindestens eines einfachen Sortierverfahrens für eine Liste
• Implementierung mindestens eines einfachen Sortierverfahrens für ein Array
• Entwicklung und Implementierung eines rekursiven Sortierverfahrens für eine Liste oder ein Array (QuickSort, MergeSort)

Effizienzuntersuchungen von Sortieralgorothmen

(z.B. InsertionSort und QuickSort)

• Grafische Visualisierung von Sortierverfahren
• Untersuchung der Anzahl der Vergleichsoperationen und des Speicherbedarfs (Zählen, programmgestütztes Zählen, Analyse – O-Notation)

4. Thema: Modellierung und Nutzung von relationalen Datenbanken in Anwendungskontexten

Umfang: 20 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Daten und ihre Strukturierung
• Algorithmen
• Formale Sprachen und Automaten
• Informatiksysteme
• Informatik, Mensch und Gesellschaft

Inhaltliche Schwerpunkte:

• Datenbanken
• Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache
• Sicherheit

Konkretisierung

Nutzung von relationalen Datenbanken

am Beispiel von unterschiedlichen Anwendungsfällen/Datenbanken

• Aufbau von Datenbanken und Grundbegriffe
  • Entwicklung von Fragestellungen zur vorhandenen Datenbank
  • Analyse der Struktur der vorgegebenen Datenbank und Erarbeitung der Begriffe Tabelle, Attribut, Datensatz, Datentyp, Primärschlüssel, Fremdschlüssel, Datenbankschema
  • relationale Algebra
• SQL-Abfragen
  • Analyse und Erarbeitung von einfachen SQL-Abfragen auf einer Tabelle ( SELECT (DISTINCT) …FROM, WHERE, AND, OR, NOT )
  • Analyse und Erarbeitung SQL-Abfragen auf mehreren Tabellen ( (INNER) JOIN, UNION )
  • Verwendung von Aggregatfunktionen und weiterem zur Beantwortung von Fragestellungen (AS, GROUP BY,ORDER BY, ASC, DESC, COUNT, MAX, MIN, SUM , Arithmetische Operatoren: +, -, *, /, (…), Vergleichsoperatoren: =, <>, >, <, >=, <=, LIKE, BETWEEN, IN, IS NULL )

Modellierung von relationalen Datenbanken

• ER-Diagramme (Entity-Relationship-Diagramm)
  • Ermittlung von Entitäten, zugehörigen Attributen, Relationen und Kardinalitäten in Anwendungssituationen und Modellierung eines Datenbankentwurfs in Form eines Entity-Relationship-Diagramms
  • Erläuterung und Modifizierung einer Datenbankmodellierung
• Entwicklung einer Datenbank aus einem Datenbankentwurf
  • Modellierung eines relationalen Datenbankschematas zu einem Entity-Relationship-Diagramm inklusive der Bestimmung von Primär- und Sekundärschlüsseln

Normalformen

• Untersuchung einer Datenbank hinsichtlich Konsistenz und Redundanz in einer Anwendungssituation
• Überprüfung von Datenbankschemata hinsichtlich der 1. bis 3. Normalform und Normalisierung

Neu: Abfrage und Manipulation von Daten aus Java-Programmen heraus mit der Klasse DatabaseConnector

5. Thema: Sicherheit und Datenschutz in Netzstrukturen

Umfang: 10 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Informatiksysteme
• Informatik, Mensch und Gesellschaft

Inhaltliche Schwerpunkte

• Einzelrechner und Rechnernetzwerke
• Sicherheit
• Nutzung von Informatiksystemen, Wirkungen der Automatisierung

Konkretisierung

Daten in Netzwerken und Sicherheitsaspekte in Netzen sowie beim Zugriff auf Datenbanken

• Beschreibung eines Datenbankzugriffs im Netz anhand eines Anwendungskontextes und einer Client-Server-Struktur zur Klärung der Funktionsweise eines Datenbankzugriffs
• Netztopologien als Grundlage von Client-Server-Strukturen und TCP/IP-Schichtenmodell als Beispiel für eine Paketübermittlung in einem Netz
• Vertraulichkeit, Integrität, Authentizität in Netzwerken sowie symmetrische und asymmetrische kryptografische Verfahren (Cäsar-, Vigenère-, RSA-Verfahren) als Methoden Daten im Netz verschlüsselt zu übertragen

Fallbeispiele zur Datenschutzproblematik und zum Urheberrecht

Qualifikationsphase Q2

6. Thema: Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen, nichtlinearen Datenstrukturen

Umfang: 24 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Implementieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Daten und ihre Strukturierung
• Algorithmen
• Formale Sprachen und Automaten

Inhaltliche Schwerpunkte

• Objekte und Klassen
• Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen
• Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten
• Syntax und Semantik einer Programmiersprache

Konkretisierung

Analyse von Baumstrukturen in verschiedenen Kontexten

• Grundlegende Begriffe (Grad, Tiefe, Höhe, Blatt, Inhalt, Teilbaum, Ebene, Vollständigkeit)
• Aufbau und Darstellung von binären Bäumen anhand von Baumstrukturen in verschiedenen Kontexten

Die Datenstruktur Binärbaum

• Operationen der Datenstruktur Binärbaum
• interne Funktionsweise der Operationen der Datenstruktur Binärbaum
• Implementierung einer Anwendung oder von Teilen von Anwendungen
• Traversierung eines Binärbaums im Pre-, In- und Postorderdurchlauf

Die Datenstruktur binärer Suchbaum

• Operationen der Datenstruktur binärer Suchbaum
• Funktionsweise der Operationen der Datenstruktur binärer Suchbaum unter Betonung der Pivot-Eigenschaft
• Implementierung einer Anwendung oder von Teilen von Anwendungen; Inorder-Ausgabe

Die Verwendung von Binärbaum oder binären Suchbaum wird anhand einer weiteren Problemstellung geübt.

7. Thema: Endliche Automaten und formale Sprachen

Umfang: 20 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Modellieren
• Darstellen und Interpretieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Endliche Automaten und formale Sprachen

Inhaltliche Schwerpunkte

• Endliche Automaten
• Grammatiken regulärer Sprachen
• Möglichkeiten und Grenzen von Automaten und formalen Sprachen

Konkretisierung

Endliche Automaten

• Formale und Graphische Beschreibung von Endlichen Automaten
• Untersuchung, Darstellung und Entwicklung Endlicher Automaten
• Simulation Endlicher Automaten

Untersuchung und Entwicklung von Grammatiken regulärer Sprachen

• Erarbeitung der formalen Darstellung regulärer Grammatiken
• Untersuchung, Modifikation und Entwicklung von Grammatiken
• Entwicklung von endlichen Automaten zum Erkennen regulärer Sprachen die durch Grammatiken gegeben werden
• Entwicklung regulärer Grammatiken zu endlichen Automaten

Grenzen endlicher Automaten

optional: Kellerautomaten und Kontextfreie Grammatiken

8. Thema: Prinzipielle Arbeitsweise eines Computers und Grenzen der Automatisierbarkeit

Umfang: 12 Stunden

Kompetenzen

Zentrale Kompetenzen

• Argumentieren
• Kommunizieren und Kooperieren

Inhaltsfelder

• Informatiksysteme
• Informatik, Mensch und Gesellschaft

Inhaltliche Schwerpunkte

• Einzelrechner und Rechnernetzwerke
• Grenzen der Automatisierung

Konkretisierung

Von-Neumann-Architektur und die Ausführung maschinennaher Programme

• Wiederholung des prinzipiellen Aufbaus einer von Neumann-Architektur mit CPU, Rechenwerk, Steuerwerk, Register und Hauptspeicher
• einige maschinennahe Befehlen und ihre Repräsentation in einem BinärCode, der in einem Register gespeichert werden kann
• Analyse und Erläuterung der Funktionsweise eines einfachen maschinennahen Programms

Grenzen der Automatisierbarkeit

• Vorstellung des Halteproblems
• Unlösbarkeit des Halteproblems
• Beurteilung des Einsatzes von Informatiksystemen hinsichtlich prinzipieller Möglichkeiten und prinzipieller Grenzen

Neben Klausuren, die in den Oberstufenkursen nur von einem Teil der Schüler geschrieben werden, wird die Leistung anhand der sonstigen Mitarbeit bewertet. Grundsätzlich sind die im Kapitel 2 des Lehrplans ausgewiesenen Inhaltsfelder und prozessbezogenen Kompetenzen unter Schwerpunktsetzung der Unterrichtsreihe bei der Leistungsbewertung angemessen zu berücksichtigen. Dabei kommt dem Bereich der prozessbezogenen Kompetenzen der gleiche Stellenwert zu wie den konzeptbezogenen Kompetenzen.

Wegen des hohen Anteils an praktischer Arbeit ergeben sich hierbei für das Fach Informatik entsprechende fachliche Besonderheiten.

Im Beurteilungsbereich der „Sonstige Leistungen“ werden insbesondere bewertet:

• Mündliche Beiträge zum Unterrichtsgespräch und in der Gruppenarbeit
  • Ideen zur jeweiligen Problematik (Lösungsvorschläge)
  • Aufstellen von Vermutungen,
  • Weiterentwicklung von Ideen, insbesondere auch Aufgreifen von Beiträgen der Mitschüler,
  • Fortführung von Lösungsansätzen,
  • Aufzeigen von Zusammenhängen und Widersprüchen,
  • Formalisieren der Ergebnissen und Arbeitsständen,
  • Reflexion von Ergebnissen,
  • Zusammenfassen von Ergebnissen und Arbeitsständen
• Die Ausführung und die Ergebnisse von Arbeitsaufträgen bei
  • Schülerexperimenten (Stufe 9)
  • Entwurfsarbeiten
  • Programmierarbeiten
  • Dokumentationen
• Leistungen in Einzel- und Partnerarbeit
• Referate
• Schriftliche Übungen
• Fachliche Unterstützung von Mitschülern
• Angemessene Führung von Kursunterlagen (Heft und Dateiordner)

A – Erfahrungsaustausch zur Volumenbegrenzung

• Die Schülervertreter teilen mit, dass die vom Volumenkonzept gesetzte Grenze von 45 Minuten Hausaufgaben pro Woche vom Informatik-Unterricht der Stufe 8 in der Regel nicht ausgeschöpft wird. Längere Arbeitszeiten kämen allenfalls aus eigenem Antrieb heraus zustande.

B1 – Vereinbarungen zur Aufgabenstellung

• In der Regel besteht die Hausaufgabe darin, im Unterricht vorstrukturierte, in Ansätzen bereits bearbeitete Implementationsprojekte fertigzustellen.
• Im Verlauf eines Jahres werden zwei bis drei kleinere Projektarbeiten eingefordert, für deren Fertigstellung mehrere Wochen Zeit anberaumt werden.

Es findet kein gesonderter ITG-Unterricht mehr statt. Die Inhalte wurden mit dem Medienkompetenzrahmen NRW in alle Unterrichtsfächer integriert.

Die ITG (Informationstechnische Grundbildung) ist, wie auch die Darstellung der Struktur des Faches Informatik (siehe oben) ausweist, vom Wesen her ein Teil des Faches Informatik.

Die Fachgruppe Informatik sieht sich insbesondere in der Verantwortung für den Aufbau der Grundfertigkeiten der Schüler, der im ITG-Kernunterricht der Stufen 5 und 7 stattfindet. Hier werden folgende Themen behandelt:

• Textverarbeitung
• Grafik
• Tabellenkalkulation
• Präsentation
• Internet-Seiten

Die übrigen Fächer der Schule sind für die Festigung und den Ausbau der ITG-Fertigkeiten der Schüler in der Pflicht.

Eine detaillierte Information zum überfachlichen Unterrichtsprojekt „ITG“ liefert das Konzept der Schule zur Medienbildung.

Zentrale Gegenstände des Faches Informatik sind die empirisch erfassbare, die in formalen Strukturen beschreibbare und die durch Technik gestaltbare Wirklichkeit sowie die Verfahrens- und Erkenntnisweisen, die ihrer Erschließung und Gestaltung dienen. (vgl. Kernlehrplan Informatik, S. 11).

Dabei dient die Auseinandersetzung mit Themen und Methoden der Informatik in der Schule der Lebensvorbereitung und Orientierung in einer von der Informationstechnologie geprägten Welt und somit ist die Vermittlung von Medienkompetenz in allen inhalten des Faches Informatik immanent. Dies betrifft alle Bereiche der Medienkompetenz: Medienkunde, Medienkritik, Mediennutzung und Mediengestaltung.

Hierbei kommt dem Unterricht in der Sekundarstufe II besondere Bedeutung bei: „Die Schülerinnen und Schüler erwerben über rezeptive Medienanwendungen und die interaktive Nutzung von Medienangeboten in den Fächern hinaus Fähigkeiten zur kritischen und verantwortungsvollen Analyse, Modellierung und Implementierung komplexer Informatiksysteme.“ (Kernlehrplan Informatik S. 11 ff)

Literatur:
Kernlehrplan für die Sekundarstufe II des Landes Nordrhein-Westaflen, Informatik [KLP Informatik], Düsseldorf 2012

Standardsicherung NRW (Bildungsportal des Schulministeriums)

Vereinbarungen der Fachkonferenz Informatik zur Standardsicherung

Die Informatik ist im Vergleich mit anderen Schulfächern sehr jung und im hohen Maße Veränderungen unterworfen. Daher werden die erforderliche materielle Ausstattung, die Software als auch das Lehrmaterial fortlaufend erneuert und auf dem neuesten Stand gehalten.

Entsprechend nehmen auch die beteiligten Lehrer regelmäßig an Fortbildungen teil, um mit der Weiterentwicklung Schritt zu halten und Unterricht mit gleichbleibender Aktualität und Qualität anbieten zu können.

Der schulinterne Lehrplan ist aus dem Kernlehrplan heraus erarbeitet worden und liefern die verbindlichen Lernziele. Der Lehrplan wird regelmäßig angepasst und weiterentwickelt. Er ist Teil des Schulprogramms und kann hier im Internet-Auftritt der Schule jederzeit eingesehen werden.

Neben den anstehenden Kursarbeiten werden regelmäßig schriftliche Übungen im Unterricht geschrieben, um Lehrern und Schülern die Möglichkeit zu bieten, die eigenen Leistungen bzw. die Leistungen des ganzen Kurses einschätzen und bei Bedarf den Anforderungen wieder anpassen zu können.

Letztendlich ist der Standard, mit dem die Leistung der Schüler gemessen wird, das Zentralabitur. Zur persönlichen Orientierung werden die schriftlichen Prüfungen der vorangegangenen drei Jahre im Bildungsportal des Schulministeriums veröffentlicht.

• Der Unterrichtsstoff der Differenzierungskurse in der Sekundarstufe I vermittelte Grundwissen für informatisch orientierte Ausbildungsberufe sowie natur- und ingenieurwissenschaftlicher Studiengänge. Dies gilt insbesondere für die Bereiche Algorithmik und boolsche Algebra. Die Kenntnisse und Grundüprinzipien von Elementare Datenverarbeitung mit JavaScript können in vielen Ausbildungsberufen und Studiengängen, in denen Daten automatisiert verarbeitet werden müssen, angewendet werden.
• Der Oberstufenunterricht liefert mit seinem Schwerpunkt auf die Objektorientierte Modellierung und Programmierung die Grundlagen für ein ingenieurwissenschaftliches Studium, in dem oft ein Programmierkurs belegt werden muss. Die genutzte Sprache Java ist an Universitäten weit verbreitet. Auch die weiteren Inhaltsfelder wie Datenbanken, Sicherheit und Datenschutz in Netzstrukturen und endliche Automaten schaffen für ausgewählte Ausbildungsberufe und Studiengänge relevante Grundlage.