Schülerlabor Informatik - InfoSphere, Informatik entdecken in Modulen für alle Schulformen & Klassenstufen

NRW-Projekt "Informatik an Grundschulen"

Kooperation mit der Uni Paderborn, der Uni Wuppertal und dem Schulministerium NRW

In dem Projekt „Informatik an Grundschulen“ beleuchten drei Module unterschiedliche fachlich-methodische Schwerpunkte der Informatik. Die Auswahl der Themen erfolgte unter fachdidaktischen, lernpsychologischen und allgemeinbildenden Gesichtspunkten. Für die unterrichtliche Umsetzung in der Schule ist jeweils ein zeitlicher Rahmen von ca. 6 – 8 Stunden vorgesehen. Alle drei Module folgen einem kompetenzbasierten fachdidaktischen Konzept das Kompetenzen als Einheit von kognitiven (fachlichen) und nicht-kognitiven (motivationalen, volitionalen) Komponenten versteht.

Seit Beginn des Schuljahres 2015/2016 arbeitet das InfoSphere (bzw. das Lehr- und Forschungsgebiet Informatik 9 der RWTH Aachen) gemeinsam mit den beiden Grundschullehrkräften Stefan Moritz (Grundschule Driescher Hof) und Dieter Frohnhofen (Mühlenbachschule Baal) an einem Modul zum Thema "Digitale Welt" für den Sachunterricht der 3. oder 4. Klassen.

Allgemeine Infos zu unserem Modellversuch "Informatik an Grundschulen", welchen wir gemeinsam mit den Universitäten Paderborn und Wuppertal wie auch dem Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen im August 2015 gestartet haben finden sich auf der Webseite des Minitsteriums.

Hinweis: Die Materialien werden ab Januar 2018 auf der Webseite des Schulministeriums zum Download zur Verfügung stehen. Wir dürfen dieses leider im Vorfeld nicht rausgeben.

Modulbeschreibung und Kompetenzen

Ziel des Moduls, das am Standort Aachen entwickelt wird, ist es, Grundschullehrkräfte in die Lage zu versetzen, gemeinsam mit ihren Schülerinnen und Schülern unsere digitale Welt zu verstehen. Information ist neben Stoff und Energie die dritte Grundgröße der Natur (vgl. Wiener 1961). Die Fortbildungen finden in Kooperation mit dem Schülerlabor InfoSphere (siehe Schroeder und Bergner 2011) statt. Im Rahmen dessen besteht die Möglichkeit, die Unterrichtsreihe durch eine Exkursion ins Schülerlabor InfoSphere zu ergänzen und dort weitere Aspekte der Datenübertragung (wie z. B. den Zweck und Aufbau von IP-Adressen) kennen zu lernen. Auch können dort technische Umsetzungen der vermittelten Konzepte erkundet werden. Der Umgang mit Information (der o. g. »dritten Grundgröße«) führt zu einem permanenten gesellschaftlichen Wandel und sollte daher bereits von Grundschülerinnen und -schülern kennengelernt und verstanden werden. In den zu entwickelnden Unterrichtseinheiten für die Primarstufe werden typische Alltagsfragen von Kindern, wie beispielsweise »Wie kann ein Computer viele Tausend Fotos speichern?«, »Wie passt ein Video durchs Kabel?« und »Wie findet eine E-Mail den Weg um die ganze Welt?« beantwortet. Abstrakte Alltagsprobleme wie das Übertragen von Daten im Internet werden beispielsweise durch farbige Holzkugeln und Schnüre verbildlicht und dadurch für Kinder erlebbar. Als Grundlage der digitalen Datenübertragung im Internet bildet die Binärdarstellung von digitalen Daten in 0 und 1 das verbindende Element des Moduls. Die grundlegenden Ideen für das Modul werden (Bell, Witten und Fellows 2015) entlehnt und für die Grundschule angepasst.

 

Umsetzung

Ziel der Unterrichtsreihe ist es, Kindern einen Einblick in Informatiksysteme, wie einem Computer, einem Tablet oder dem eigenen Handy, und damit in die Digitale Welt zu ermöglichen. Die Unterrichtsreihe ist für drei Doppelstunden (á 90 Minuten) ausgelegt1. Dabei wird in der ersten Doppelstunde die Motivation, die Anknüpfung an die Vorerfahrungen der Schülerinnen und Schüler und die Übertragung von digitalen Daten thematisiert. Aufbauend auf den Überlegungen zur Übertragung von Daten steht in der zweiten Doppelstunde das Thema Binärdarstellung im Mittelpunkt. Dabei werden sowohl Dezimalzahlen, Buchstaben als auch einfache Grafiken in eine 0- und 1-Darstellung umgewandelt. Die dritte Doppelstunde wird Fehlererkennung thematisieren. Motiviert durch das Problem der Übertragungsfehler lernen die Kinder mittels Prüfbits eine Möglichkeit der Fehlererkennung kennen. Dabei lehnen sich insbesondere die Informatiktricks an dem seit Jahren erprobten und evaluierten Konzept »Computer Science Unplugged« (Bell, Witten und Fellows 2015) an. Grundlegend für alle Stunden ist, dass die Kinder neben dem neu erworbenen Wissen auch eine Art Modell dessen mit nach Hause nehmen können. Auf diese Weise können sie das Wissen in der Familie weitertragen. So kann auch das soziale Umfeld der Kinder für die Informatik sensibilisiert und unter Umständen der Besuch eines außerschulischen Lernortes, einer AG oder eines Feriencamps im Themenbereich der Informatik motiviert werden. Im Folgenden wird kurz auf die Inhalte der drei Doppelstunden eingegangen.

Das Modul umfasst neben einer 45-minütigen Einführungsstunde, die an die Erfahrungen der Kinder anknüpft, drei 90-minütige Unterrichtseinheiten.

Einführung:

Ausgangspunkt des Moduls „Digitale Welt“ sind Codes, also bestimmte Darstellungsformen von Daten. Spezifisch werden hier QR-Codes behandelt, da davon ausgegangen wird, dass diese der Mehrheit der Kinder bereits im Alltag (z.B. auf Plakaten, Postsendungen oder Bahntickets) begegnet sind. Entscheidend für dieses Modul ist dabei die Darstellung in digitaler Form, also über Anordnung der schwarzen und weißen kleinen Quadrate in dem Gesamtbild des QR-Codes.

Doppelstunde 1 – Datenübertragung

Anknüpfend an die Datenrepräsentation in einem QR-Code werden in dieser Einheit Binärzahlen eingeführt, die Daten ebenfalls über zwei Zustände (beispielsweise rot und blau oder auch 0 und 1) darstellen. Hierbei wird der Bezug zum Informatiksystem (Computer, Tablet, Smartphone, etc.) hergestellt, da alle diese Systeme mittels der beiden Zustände 0 für „Strom aus“ und 1 für „Strom an“ arbeiten. Die Kinder lernen also wie Daten in Informatiksystemen dargestellt werden, in dem sie erst Dezimalzahlen und später auch Buchstaben in ihre Binärdarstellung umwandeln und umgekehrt. Es erfolgt die Erkenntnis, dass im vierstelligen Binärcode alle Zahlen von 0-15 darstellbar sind und für ein größeres Zahlenspektrum eine fünfte Stelle hinzugenommen werden muss.

Doppelstunde 2 – Binärdarstellung

Nachdem die Darstellung von Daten im Computer (Laptop, Tablet, Smartphone) verinnerlicht wurde, widmet sich diese zweite Einheit der Übertragung dieser (beispielsweise über das Internet). Dabei lernen die Kinder das grundlegende Prinzip der Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe (EVA-Prinzip) der Informatik kennen. Auch ahmen sie die Arbeit eines Informatiksystems nach, indem sie selbst Botschaften erst binär codieren, dann ein Mitschülerinnen und Mitschüler übertragen und von diesen dann entsprechend decodiert und gelesen wird. An dieser Stelle wird das Wissen über die Binärdarstellung von Dezimalzahlen auf die Darstellung von Buchstaben transferiert. Die Kinder sind somit in die Lage, mit dem angeeigneten Wissen zum Binärcode einfache Botschaften zu übertragen und auch empfangene Botschaften zu decodieren.

Doppelstunde 3 – Fehlererkennung

Die abschließende Einheit thematisiert den Umgang mit möglichen Fehlern, die bei der Eingabe oder auch Übertragung von Daten auftreten können. Die Kernbotschaft dabei ist die Tatsache, dass es Fehlererkennungsmechanismen gibt, die hier in sehr einfacher Form an dem konkreten Beispiel eines Prüfbits erkundet werden können. Die Kinder erfahren, wozu Fehlererkennung ein wichtiges Thema (z.B. bei der Steuerung großer Maschinen) darstellt und erlangen eine Grundvorstellung darüber wie solche Algorithmen arbeiten.