Informatik

Ausgehend vom Umgang mit dem schuleigenen Netzwerk, zum Beispiel der Verwendung von Netzlaufwerken anstelle des Webinterfaces, wird die Frage abgeleitet, wie das Schulnetzwerks aufgebaut ist. Unter Verwendung von Simulationssoftware werden Grundlagen der Kommunikation im Internet erarbeitet und auf das schuleigene Netzwerk übertragen.

Enthaltene verbindliche Inhalte

• Beschreibung des schuleigenes Netzwerks (Netzwerkkomponenten, Adressierung, Kommunikationsprozess) vgl. I7, I9, N1, N5, N16
• Simulation von Netzwerken (Internetdienste, Adressierung, Netzwerktopologien) vgl. N8, N16, N18
• Sicherheitsaspekte (Authentifizierung, Verschlüsselung, Firewall) vgl. N12, N13, N14
• Übertragungsmedien in Netzwerken (kabelgebunden, kabellos) vgl. N6
• Kommunikationsnetzwerke (lokal, global, Netzwerktopologien) vgl. N5, N8, N15, N17

Anhand der Leitfrage, wie eine Nachricht oder eine Datei aus dem Internet auf den persönlichen Computer, Tablet oder Smartphone gelangt, werden verschiedene Bestandteile des zugrundliegenden Protokollstapels erforscht. Zum Einstieg werden eigene einfache Protokolle entwickelt, um mit reduzierten Mitteln z. B. durch optische Telegrafen einfache Daten zu übertragen (vgl. IT2School). Anschließend wird durch Untersuchung der HTTP-Protokolldaten in einem Browser ...

Enthaltene verbindliche Inhalte

• Kommunikationsnetzwerke (lokal, global, Netzwerktopologien) vgl. N15, N17, N5, N8
• Nachrichtenübertragung (Kommunikationsmodell, Sequenznummern, 2-Way- und 3-Way-Handshake, Paktevermittlung, Wegefindung) vgl. N1, N2, N7 N9
• Computerprotokolle (HTTP, HTTPS) vgl. N1, N4, N12
• Sicherheitsaspekte (Geheimhaltung, Integrität, HTTPS, Verschlüsselung) vgl. N11, N12, N13

Dieses Thema orientiert sich didaktisch an dem Use-Modify-Create Modell. Ausgehend von einem automatisch erzeugten HTML-Dokument (z. B. durch ein Textverarbeitungsprogramm) werden zunächst Strukturelemente von HTML-Dokumenten erforscht. Anhand geeigneter Vorlagen werden anschließend  eigene Webvisitenkarten angelegt und durch Erkunden des Quelltextes fremder Webseiten zunehmend um CSS Formatierungen erweitert und so grafisch gestaltet. Je nach Umfang der Einheit kann anschließend eine Webseite im Rahmen einer Projektarbeit gemeinsam gestaltet werden.

Exemplarische konkrete Umsetzung

Enthaltene verbindliche Inhalte

• Textverarbeitung (Strukturelemente, Formatierung, Tabellen und Grafiken) vgl. D14, D15, D16 D19
• Dateiformat und Kompression vgl. D24
• Einführung in HTML und CSS (Strukturelemente, Attribute, Tabellen und Grafiken) vgl. D14, D15, D16, D19
• ...

Anhand realer Anforderungen der Sport-Fachschaft wird eine Sportveranstaltung mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms ausgewertet. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln dafür eigenständig Datenmodelle, mit denen die Auswertung erfolgt. Je nach Unterrichtsumfang kann das Projekt zum Beispiel um die Datenerhebung, wie etwa die Zeitmessung beim Wettlauf, mithilfe von Mikrocontrollern erweitert werden.

Enthaltene verbindliche Inhalte

• Tabellenkalkulation (Kalkulationstabellen, Ausdrücke, Strukturelemente, Bezüge) D14, D16, D17, D18
• Datenerhebung (Datenschutz, Erhebung persönlicher Daten) vgl. N24, N25
• Mikrocontroller (Sensoren, Eingabegeräte, Speicher) (I9, I10, I11)
• Speicher (Bit und Byte) vgl. D10, D11

Auf Basis der blockbasierten Programmiersprache Scratch entwickeln die Schülerinnen und Schüler einfache Arcarde-Spiele auf Basis klassischer 8bit-Games. Mithilfe eines Mikrocontrollers (z. B. Moco Moco) wird ein Gamecontroller zur Steuerung des Spiels entwickelt. Für die grafische Umsetzung der Spiele in Pixel-Art kann mit der Fachschaft Kunst zusammengearbeitet werden. Dabei werden auch subtil Grundlagen der digitalen Repräsentation von Rastergrafiken erarbeitet.

Enthaltene verbindliche Inhalte

• Rastergrafiken (Matrix von Bildpunkten, RGB-Modell, Kompression) vgl. D24, D25)
• Grundlagen von Informatiksystemen am Beipsiel von Mikrocontrollern (Hardware, Sensoren) vgl. I1, I9, I10, I11, I15, I16)
• Grundlagen der Programmierung (Anweisungen, Variablen, Datentypen) vgl. A1, A2, A5, A7, A9, A10
• Algorithmen testen (Debugging) vgl. A15
• Erweiterte Programmierung (Kontrollstrukturen, Unterprogramme) vgl. A3, A13, A19

Ausgehend von dem zunehmenden Abstraktionsgrad bei der Erstellung eigener Programme (z. B. durch Auslagerung von Handlungsabfolgen in Methoden) wird die Frage entwickelt, wie eine einfache Rechenmaschine in der Lage ist, ein in einer Hochsprache verfasstes Programm auszuführen. Zur Beantwortung dieser Frage werden Hardwarekomponenten untersucht und auf ihre Bedeutung für die Ausführung von Programmen analysiert. So wird beispielsweise aus der Verwendung von Variablen die binäre Repräsentation von Daten im Speicher eines Rechners abgeleitet oder über die Ausführung einfacher Rechenoperationen mithilfe von Schaltnetzen ein Modell eines Prozessors mit einem abgeschlossenen Befehlssatz entwickelt. Am Ende dieser Untersuchung steht das Von-Neumann-Maschinen Modell und im Falle eines erhöhten Anforderungsniveaus die Übersetzung einfacher hochsprachlicher Programme in eine maschinennahe Programmiersprache.

Enthaltene verbindliche Inhalte

• Grundlagen der Programmierung (Anweisungen, Variablen, Datentypen), vgl. AD1, AD2, AD8, AD7, AD9
• Modularisierung, vgl. AD7, AD9
• Speicher (Bits, Bytes, Binärsystem), vgl. BK1, BK2, BK4
• Schaltungen, vgl. BK7
• Zusammenwirken von Hardwarekomponenten (Prozessoren, Speicher), vgl. BK4
• Hardwarenahe-Programmierung (Von-Neumann-Maschinenmodell, Assembler), vgl. BK5, BK6

Die Entwicklung von Spielen bietet die Möglichkeit, die Mensch-Maschine-Interaktion mit einem direkten Lebensweltbezug der Schülerinnen und Schüler zu motivieren. Es können zunächst simple Spiele und deren zugrundeliegenden Algorithmen dekonstruiert und implementiert werden, um die jeweilige Spielmechanik zu verstehen. Über das Speichern von Spielständen und Levelfortschritten können sowohl die Speicher- als auch die Authentifizierungsmethoden motiviert werden. Es bietet sich an, ein eigenes Spiel zu entwickeln, wodurch elementare Anweisungen und Kontrollstrukturen in einem größeren Handlungsprojekt angewendet und vertieft werden. Abschließend kann man sich forschend mit der Frage auseinandersetzen, wie das eigene Spiel auf einem Computer ausgeführt wird. Wodurch das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten von Eingabegeräten über die Prozessoren zum Speicher und den Ausgabegeräten thematisiert wird.

Enthaltene verbindliche Inhalte

• Grundlagen der Programmierung (Anweisungen, Variablen, Datentypen), vgl. AD1, AD2, AD8, AD7, AD9
• Speicher (Bits, Bytes, Binärsystem), vgl. BK1, BK2, BK4
• Zusammenwirken von Hardwarekomponenten (Prozessoren, Speicher), vgl. BK4
• Erweiterte Programmierung (Kontrollstrukturen, Felder), vgl. AD7, AD9
• Modularisierung, vgl. AD7, AD9

Angriffe auf Informatiksysteme versuchen Sicherheitslücken für einen unbefugten Zugriff zu nutzen. Solche Angriffe können auf ungeschützte Speicherbereiche zielen, wie der Spectre-Angriff im Jahr 2018. Um einen solchen Angriff zu verstehen, verlangt es ein Verständnis des Aufbaus eines Speichers (bis hin zu konkreten technischen Realisierungen) sowie der Repräsentation der Daten in dem Speicher. Neben den Gefahren sollten auch Schutzmechanismen gegen solch einen unbefugten Zugriff behandelt werden. Das Betriebssystem als Ressourcenverwalter schützt u.a. sensible Bereiche des Speichers und dient somit der Prävention möglicher Angriffe. Es bietet sich an mittels modularisierter Programmierung mit entsprechenden Zugriffsrechten ein eigenes Handlungsprodukt zu erzeugen, welches ein nachhaltiges Verständnis für der Verkapselung sensibler Programmteile verschafft.

Enthaltene verbindliche Inhalte

• Speicher (Bits, Bytes, Binärsystem), vgl. BK1, BK2, BK4
• Schaltungen, vgl. BK7
• Zusammenwirken von Hardwarekomponenten (Prozessoren, Speicher), vgl. BK4
• Ressourcenverwaltung, vgl. BK8
• Erweiterte Programmierung (Kontrollstrukturen, Felder), vgl. AD7, AD9
• Modularisierung, vgl. AD7, AD9