W eb INFORMATIKUNTERRICHT MIT EINEM HAUCH VON BIBER-MAGIE - WORKSHOP AM 10. SCHWEIZER TAG FÜR DEN INFORMATIKUNTERRICHT - ABZ

INFORMATIKUNTERRICHT
       MIT EINEM HAUCH VON BIBER-MAGIE
         WORKSHOP AM 10. SCHWEIZER TAG FÜR DEN INFORMATIKUNTERRICHT

 e b
W                                                                                 ZÜRICH, 5. FEBRUAR 2020

                                                                                            JIL WEBER
                                                                         MASTER OF SCIENCE IN INFORMATIK
                                                                                               ETH ZÜRICH

                                                                                GIOVANNI SERAFINI
                                                                      DOZENT FÜR DIDAKTIK DER INFORMATIK
                                                                                               ETH ZÜRICH

1. EINFÜHRUNG:
FACHLICHE & FACHDIDAKTISCHE LEITIDEE
                                       2

WAS IST INFORMATIK? WAS IST SIE NICHT?

¡ Eine Definition von Informatik:
  „Die Informatik ist die Wissenschaft der systematischen, automatisierten Verarbeitung
  von Information, der Informationsspeicherung, -verwaltung und
  -übertragung. [...]“                                              [Gander & Hromkovič, 2012]

¡ Die Informatik ist ein MINT-Fach!
  ¡ Informatik ≠ Medienbildung
  ¡ Informatik ≠ Anwendungen (Textverarbeitung, usw.)
  ¡ Wir möchten den Kindern beibringen, «wie ein Informatiker zu denken».
  ¡ Diese Denkweise (=intellektuelle Produkte) und nicht die Produkte der Technologie stellt den
     Beitrag der Informatik zur allgemeinen Bildung dar.
                                                                                                   3

INFORMATIK: KOMPETENZEN IM LEHRPLAN 21 DER VOLKSSCHULE

1. Die Schülerinnen und Schüler können Daten
  aus ihrer Umwelt darstellen, strukturieren und
  auswerten.
2. Die Schülerinnen und Schüler können einfache
  Problemstellungen analysieren, mögliche
  Lösungsverfahren beschreiben und in
  Programmen umsetzen.
3. Die Schülerinnen und Schüler verstehen Aufbau und Funktionsweise von
  informationsverarbeitenden Systemen und können Konzepte der sicheren
  Datenverarbeitung anwenden.

                                                                          4

INFORMATIK: KOMPETENZEN IM LEHRPLAN 21 DER VOLKSSCHULE

1. Die Schülerinnen und Schüler können Daten
  aus ihrer Umwelt darstellen, strukturieren und
  auswerten.
2. Die Schülerinnen und Schüler können einfache
  Problemstellungen analysieren, mögliche
  Lösungsverfahren beschreiben und in
  Programmen umsetzen.
3. Die Schülerinnen und Schüler verstehen Aufbau und Funktionsweise von
  informationsverarbeitenden Systemen und können Konzepte der sicheren
  Datenverarbeitung anwenden.

                                                                          5

KOMPETENZ = «EXPERTISE»

             „Bilden wir Erfinderinnen, Gestalter und Produzentinnen digitaler
                       Technologie aus, nicht nur ihre Konsumenten.“

¡ Kompetenz bedeutet nicht…gelernte Methoden anzuwenden oder etwas zu
  reflektieren.
¡ Kompetenz bedeutet…in unbekannten Situationen mittels Vorwissen kreativ neue
  Lösungsmethoden zu entwickeln und einzusetzen.
¡ Kompetenz bedeutet… erworbenes Wissen intelligent anzuwenden.
¡ Auch im Informatikunterricht! Auch im Kindergarten und in der Primarschule!

                                                                                 6

AUSWAHL DES STOFFS: VON SCHULE, ALLTAG & TECHNOLOGIE

 Lebenswelt der                                                    Unterrichtsstoff
 Kinder

¡ Die Schule hat den Auftrag, den Kindern und den Jugendlichen «etwas fürs
  Leben» beizubringen. Dies gilt selbstverständlich auch für den
  Informatikunterricht.
¡ Das Risiko ist gross, sich von den zugegebenermassen verführerischen und
  dennoch kurzlebigen, für die Schule doch zu anspruchsvollen technologischen
  Trends in den Bann ziehen zu lassen.
                                                                                      7

«Learning by getting things to work»
                     Die Kinder ahmen im Spiralcurriculum die
                     historische Entwicklung der Informatik nach.

Lebenswelt der                                                          Unterrichtsstoff
Kinder

                                                              sind die
         ist der Resultat
                                                              allgemeinbildenden
         der
                                                              Bestandteile des

                        ist geprägt                    werden           kreative Ideen,
historische                           Probleme und
                        von                            ermöglicht von   neue Konzepte,
Entwicklung                           deren Lösungen                    nachhaltige
                                                                        Prinzipien
                                                                                           8

INFORMATION WIRD BEREITS SEIT ÜBER 5’000 JAHREN DIGITALISIERT!

¡ Die erste Big-Data-Krise ereignete sich
  3’400 Jahre v. Chr. im damaligen
  mesopotamischen Reich.
¡ Man wollte eine umfassende Form der
  Staatverwaltung für eine Million Menschen
  einführen.
¡ Das Problem waren die viel zu vielen Daten
  für die damals verfügbare «Technologie».     «Digitalisierung» bedeutet,
                                               Informationen als Folge von
¡ Die Lösung war die Entwicklung einer neuen   Symbolen (=Daten) darzustellen.
  Technologie, d.h. der ersten Schrift.
                                                                                 9

SCHRIFTLICHE DARSTELLUNGEN BRINGEN HERAUSFORDERUNGEN MIT

¡ Sobald man Informationen schriftlich darstellen konnte, kam die Notwendigkeit
  ¡ diese vor den Augen nicht autorisierter Leser zu verheimlichen,
  ¡ sie zu komprimieren (um Platz zu sparen),
  ¡ sie zuverlässig zu übertragen (gesendete und empfangene Daten sollen übereinstimmen)

¡ Für jeden dieser Zwecke müssen die Informationen «geschickt dargestellt» werden.

                     Mesopotamien      Ägypten                        Shannon, Hamming

                                                                                         heute
                       1500 v. Chr.   500 v. Chr.                           1950                 10

WIR BEFINDEN UNS IM 1. ZYKLUS DES LEHRPLANS 21

             „Bilden wir Erfinderinnen, Gestalter und Produzentinnen digitaler
                       Technologie aus, nicht nur ihre Konsumenten.“

Aus der Sicht der ganzheitlichen Entwicklung der Kinder
fokussieren wir insbesondere auf
¡ Wahrnehmung,
¡ Zusammenhänge und Gesetzmässigkeiten,
¡ Lernen und Reflexion,
¡ Eigenständigkeit und soziales Handeln.
                                                                                 11

ZIELSETZUNG DES WORKSHOPS

In diesem Workshop verfolgen wir zwei übergeordnete Lernziele:
1. Sie kennen die Grundzüge des thematisierten fachlichen und fachdidaktischen
  Unterrichtsansatzes und sind überzeugt, dass allgemeinbildende Inhalte der
  Informatik bereits ab dem Kindergarten unterrichtet werden sollen und können.
2. Am Beispiel je eines Spiels zur automatischen Erkennung und zur automatischen
  Korrektur kleiner Datenbeschädigungen können Sie Aufgaben sowohl «von
  Hand» als auch in unserer browserbasierten Lernumgebung durchspielen. Sie
  sind zudem in der Lage, weitere von Ihnen ausgewählte Aufgaben in der
  browserbasierten Lernumgebung durchzuführen.

                                                                                   12

PROGRAMM DES WORKSHOPS

1. Einführung: Fachliche & fachdidaktische Leitidee       [20’]
2. Ist es Biber-Magie? Wie viele Karten wurden gedreht?   [10’]
3. Eine weitere Zauberei? Welche Kleider trägt der
  versteckte Biber?                                       [10’]
4. Biber-Magie (beinahe) unplugged                        [45’]
5. Fazit & Abschluss                                      [ 5’]

                                                                  13

INFORMATIKUNTERRICHT MIT EINEM HAUCH VON BIBER-MAGIE:
MATERIALIEN ZUM WORKSHOP

¡ Slides & zusätzliche Literatur (verfügbar bis 5. März 2020):
  ¡ STIU-Webseite

  ¡ Passwort
¡ Webseite des ABZ: http://abz.inf.ethz.ch/
¡ Lernumgebung für den Zyklus 1 des
  Lehrplans 21: http://u.ethz.ch/eAsIq
¡ Heft «Informatik für Kindergarten und
  Zyklus 1»: http://www.bebras.ch/
                                                                 14

ort
  ssw
Pa

                          Platzhalter für QR-Code

           (QR-Code in der Webversion der Slides nicht angeführt)

                                                                    15

2. IST ES BIBER-MAGIE? WIE VIELE KARTEN WURDEN
GEDREHT?
                                                 16

AUSGANGSLAGE UND ZIELSETZUNG DES SPIELS

¡ Spieler
  ¡ eine Lehrperson
  ¡ ein Hellseher
  ¡ die Klasse
¡ Was passiert?
  ¡ Der Hellseher rät immer korrekt, ob eine oder zwei Karten umgedreht wurden.
¡ Ziel
  ¡ Die Kinder entdecken, wie der Hellseher vorgeht.

                                                                                  17

«LIVE»: WIE VIELE KARTEN WURDEN GEDREHT?

                                           18

INFORMATIKBEZUG

¡ Die Biberkarten entsprechen Daten, die wir übertragen möchten.
¡ Mit den Karten ahmen wir die binäre Darstellung nach, zum Beispiel wie folgt:
  ¡ aufgedeckte Karte = 1
  ¡ verdeckte Karte = 0

¡ Somit ist eine Folge von Karten eine Bitfolge, d.h. eine binäre Informationsdarstellung.

             1        0       1        1       0        0        1       1

                                                                                             19

INFORMATIKBEZUG

¡ Die Biberkarten entsprechen Daten, die wir übertragen möchten.
¡ Mit den Karten ahmen wir die binäre Darstellung nach, zum Beispiel wie folgt:
  ¡ aufgedeckte Karte = 1
  ¡ verdeckte Karte = 0

¡ Somit ist eine Folge von Karten eine Bitfolge, d.h. eine binäre Informationsdarstellung.

             1        0       1        1       0        0        1       1

                                                                                             20

INFORMATIKBEZUG

¡ Die Biberkarten entsprechen Daten, die wir übertragen möchten.
¡ Mit den Karten ahmen wir die binäre Darstellung nach, zum Beispiel wie folgt:
  ¡ aufgedeckte Karte = 1
  ¡ verdeckte Karte = 0

¡ Somit ist eine Folge von Karten eine Bitfolge, d.h. eine binäre Informationsdarstellung.

             1        0       1        1       0        0        1       1

                                                                                             21

INFORMATIKBEZUG

¡ Die Biberkarten entsprechen Daten, die wir übertragen möchten.
¡ Mit den Karten ahmen wir die binäre Darstellung nach, zum Beispiel wie folgt:
  ¡ aufgedeckte Karte = 1
  ¡ verdeckte Karte = 0

¡ Somit ist eine Folge von Karten eine Bitfolge, d.h. eine binäre Informationsdarstellung.

             1        0       1        1       0        0        1       1

                                                                                             22

DATEN KÖNNEN WÄHREND EINER ÜBERTRAGUNG BESCHÄDIGT WERDEN

                1       0        1       1       0        0       1       1

¡ Zum Beispiel: aus einer 0 wird eine 1, oder aus einer 1 wird eine 0.
¡ Diese Aktivität zeigt, wie wir eine oder zwei kleine «Datenbeschädigungen»
  automatisiert erkennen bzw. zählen können.
¡ Wir sprechen von einer fehlererkennenden Darstellung der Informationen, weil wir die
  Erkennung, wie viele Fehler passiert sind, automatisieren (➙Algorithmus) können.
                                                                                         23

3. EINE WEITERE ZAUBEREI? WELCHE KLEIDER TRÄGT DER
VERSTECKTE BIBER?
                                                     24

AUSGANGSLAGE UND ZIELSETZUNG DES SPIELS

¡ Spieler
  ¡ eine Lehrperson
  ¡ ein Hellseher
  ¡ die Klasse
¡ Was passiert?
  ¡ Der Hellseher rät die
    Farben der Kappe, der Jacke und der Hose/des Rocks des fehlenden Bibers.
¡ Ziel
  ¡ Die Kinder entdecken, wie der Hellseher vorgeht.
                                                                               25

«LIVE»: WELCHE KLEIDER TRÄGT DER VERSTECKTE BIBER?

                                                     26

INFORMATIKBEZUG & FACHDIDAKTISCHER KONTEXT

¡ Auch in diesem Spiel symbolisieren die Karten Daten, die wir übertragen möchten.
¡ Jede Karte steht für eine 1 oder für eine 0.
¡ Daten können während einer Übertragung beschädigt werden.
¡ Die fehlende Karte entspricht demnach fehlenden oder unlesbaren Daten.
¡ Diese Aktivität zeigt, wie wir den Inhalt der fehlenden bzw. unlesbaren Karte (= kleine
  Datenbeschädigung) vollständig rekonstruieren können.
¡ Wir sprechen von einer selbstkorrigierenden Darstellung, weil wir die Rekonstruktion
  des fehlenden Inhalts automatisieren (➙Algorithmus) können.

                                                                                            27

4. BIBER-MAGIE (BEINAHE) UNPLUGGED
                                     28

MASTERARBEIT «BIBERSPIELE»

¡ In ihrer Masterarbeit in Informatik an der ETH Zürich hat
  Jil Weber die Lernumgebung entwickelt, die wir im
  Folgenden verwenden werden.
¡ Diese Arbeit ist im Rahmen der Zusammenarbeit der
  Pädagogischen Hochschule Graubünden und des
  Ausbildungs- und Beratungszentrums für Informatikunterricht
  der ETH Zürich (ABZ) entstanden.
¡ Sie wurde vom ABZ-Leiter Prof. Dr. Juraj Hromkovič und von
  unserem Kollegen Dr. Dennis Komm betreut.
¡ Die Lernumgebung beruht auf der (früheren) Masterarbeit
  von Sonja Blum, die von Prof. Hromkovič und von unserem
  Kollegen Urs Hauser betreut wurde.                            29

«LIVE»: BROWSERBASIERTE LERNUMGEBUNG FÜR DEN ZYKLUS 1

                                                        30

5. FAZIT & ABSCHLUSS
                       31

ABSCHLIESSENDE GEDANKEN :
VORWISSEN IST WICHTIGER ALS INTELLIGENZ!

¡ Im Kindergarten und zu Beginn der Primarschule befassen sich die Kinder (im Sinne von
  Piaget) mit konkreten Probleminstanzen.
¡ Auf die Einführung anspruchsvoller Begriffe unserer Fachsprache und auf abstrakte
  Verallgemeinerung verzichten wir weitgehend.
¡ Vielmehr bereiten wir einen fruchtbaren Boden für die folgenden Iterationen im
  zyklusübergreifenden Spiralcurriculum vor.
¡ Dieser «fruchtbare Boden» ist der anvisierte Lerneffekt und ist zugleich das Vorwissen,
  auf welchem wir die nächsten Lernschritte aufbauen werden.
¡ Kompetenz bedeutet… erworbenes Wissen intelligent anzuwenden.

                                                                                            32

¡ Die Lehrwerksreihe «Einfach Informatik» besteht derzeit aus je fünf Schulbüchern und
    fünf Begleitbände für Lehrpersonen.
ABSCHLIESSENDE    GEDANKEN
    ¡ Im Frühjahr 2020 werden die Lehrbücher für den Zyklus 1 des Lehrplans 21
      erscheinen.

               «The goal of education is not to increase the amount of
               knowledge but to create the possibilities for a child to invent
               and discover, to create men who are capable of doing new
               things.»                                            (Jean Piaget)

    ¡ Diese Grundhaltung begleitet das ABZ in der Entwicklung von Unterrichtsmaterialien
      und in der Gestaltung des Unterrichts auf allen Stufen.
    ¡ Auch im Kindergarten und zu Beginn der Primarschule.
                                                                                             33

BISHERIGE BÜCHER IN DER LEHRWERKSREIHE «EINFACH INFORMATIK»

                                                              34

Vie
Da len
  nk
    !

         35