Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Übersicht: Informatikunterricht an Schulen Unterrichtssequenzentwurf: Einführung in die Programmierung mit SCHEME Verlaufsplan einer Unterrichtsstunde aus der Sequenz Fazit Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Informatikunterricht an Schulen Sekundarstufe I

Unterricht in der SEK I (allgemein) Ziele: Mündigkeit der Schüler Entfaltung von Individualität und Aufbau sozialer Verantwortung Kulturelle Teilhabe Ethnisches Urteilen und Handeln Verantwortliche Tätigkeit in der Berufs- und Arbeitswelt Mitbestimmung und Mitverantwortung in einer demokratisch verfassten Gesellschaft Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Informatikangebot in der SEK I Hauptschule

Informatik an Hauptschulen informations- und kommunikationstechnologische Grundbildung (IKG) in den Klassen 7 – 9 Vertiefung der in der IKG vermittelten Kenntnisse im Wahlpflichtbereich der Klassen 9 und 10 (teilweise auch schon in den Klassen 7 und 8) Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Informatikangebot in der SEK I Realschule

Informatik an Realschulen informations- und kommunikationstechnologische Grundbildung (IKG) in den Klassen 7 – 9 Informatik als Schwerpunktfach im naturwissenschaftlich- technischen Bereich des Wahlpflichtbereichs I in den Klassen 8 – 10 (mit schriftlichen Leistungsüberprüfungen) Informatik als Wahlpflichtfach im Wahlpflichtbereich II in den Klassen 9 und 10 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Informatikangebot in der SEK I Gymnasium

Informatik an Gymnasien (Sek. I) informations- und kommunikationstechnologische Grundbildung (IKG) in den Klassen 7 – 9 Informatik als Wahlpflichtfach im Wahlpflichtbereich II in den Klassen 9 und 10 als Fach mit 3 Wochenstunden als Kombination mit mehreren Naturwissenschaften schwerpunktübergreifend mit Technik alle Wahlmöglichkeiten schließen schriftliche Leistungs- überprüfungen mit ein Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Informatikangebot in der SEK I Gesamtschule

Informatik an Gesamtschulen informations- und kommunikationstechnologische Grundbildung (IKG) in den Klassen 7 – 9 Informatik als Wahlpflichtfach in den Wahlpflichtbereichen I und II ab Klasse 7 bzw. 9 (jeweils mit schriftlicher Leistungsüberprüfung) Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Ziele des Informatikunterrichts Sekundarstufe I

Ziele des Informatikunterrichts SEK I IKG Umgang mit dem Computer erlernen Textverarbeitung, Bildverarbeitung, Internet den Computer als wichtiges Hilfsmittel in verschiedenen Unterrichtsfächern kennenlernen Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Ziele des Informatikunterrichts SEK I Erweiterung der Kenntnisse aus der IKG Verstehen komplexer Systeme durch Verknüpfung unterschiedlicher Anwendungen Reflektion und Beurteilung der Auswirkung neuer Technologien im Bezug auf unsere Gesellschaft Befähigung zu einem fachgerechten Umgang mit diesen Technologien durch Analyse komplexer Zusammenhänge sowie Erarbeitung einfacher Strukturen und Methoden Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Ziele des Informatikunterrichts SEK I Grundstrukturen und Funktionen von Werkzeugen untersuchen und anwenden einfache Programme zu überschaubaren Problemstellungen entwickeln den Werkzeugen angemessene Methoden kennenlernen und Abläufe planen, durchführen und bewerten Sensibilisierung für den verantwortungsbewußten Umgang mit Informationen, z.B. in vernetzen Systemen Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Informatikangebote in der SEK I Fazit

Informatik in der SEK I - Fazit IKG wird z.Z. nur an relativ wenigen Schulen konsequent durchgeführt Gründe wenige ausgebildete Lehrer ältere Kollegen trauen sich die Arbeit im Informatikraum nicht zu Anzahl der zur Verfügung stehenden Computer reicht nicht aus Durchführung hängt sehr stark von den jeweiligen Schulen ab Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Informatik in der SEK I - Fazit findet nur im Wahlpflichtbereich statt, und ist daher nicht für jeden Schüler verpflichtend bietet dafür ein breites Spektrum an möglichen Themen, da die Themenauswahl nicht durch Lehrpläne vorgeschrieben wird die Probleme aus dem Bereich der IKG bestehen auch hier Daher ist keine einheitliche Vorbereitung der Schüler auf einen möglichen Informatikunterricht in der SEK II gewährleistet. Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Informatikunterricht an Schulen SEK II

Unterricht in der SEK II allgemein: Ziele: Vertiefung der Allgemeinbildung Wissenschaftspropädeutische Grundbildung Soziale Kompetenzen Langfristige Lernprozesse, um dauerhafte Lernkompetenzen aufzubauen Denken in übergreifenden Strukturen und Komplexen vermitteln Auf ein Hochschulstudium / den Beruf vorbereiten Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Unterricht in der SEK II allgemein: Grundlegende Kompetenzen für ein Studium / den Beruf: Sprachliche Ausdrucksfähigkeit Fremdsprachliche Kommunikationsfähigkeit Umgang mit mathematischen Systemen, Verfahren und Modellen Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Inhalte des Informatik-Unterrichts: Modellieren & Konstruieren (Paradigmen-abhängig) Analysieren & Bewerten Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Möglichkeiten / Chancen / Grenzen: Paradigma: Möglichkeiten / Chancen / Grenzen: Klassisches Ein/Ausgabe-Prinzip Basis: von-Neumann-Maschine Große an Anwendungen / Beispielen Imperativ Animationen, graphische Benutzeroberfläche Client- / Server- Architektur Betriebssysteme Objektorientiert Datenbank-Systeme Intelligenzbegriff, künstliche Intelligenz Beispiel: Rasterfahndung Wissensbasiert Flexibilität durch Listenverarbeitung -> KI-Einsatz Beispiele: Textverarbeitung, Dialogsysteme, Kryptologie, mathematischer Einsatz Funktional Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Lehrinhalte 11 / 12 / 13

Einführung in die Programmierung mit SCHEME 11/I – 11/II Grundsätzliche Orientierung Vermittlung von informatischen Arbeitstechnicken Algorithmische Grundschulung Basiskenntnisse anhand eines ausgewählten Paradigmas Lösung von Grundaufgaben Schema: Analysieren / Modellieren / Konstruieren / Bewerten Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME 12/I – 13/I Vertiefung: Konzept und Spracherweiterung Schaffung neuer Sprachmittel 2. Neue Themenfelder: Maschinennahe Konzepte Auszüge der theoretischen Informatik Netzstrukturen Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME 13/II Vorbereitung auf die Abiturprüfung: Themenfelder verknüpfen Reflexion informatischen Arbeitens Ausgearbeiteter Vortrag (Facharbeit) oder mündlicher Vortrag Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Entwurf einer Unterrichtsreihe: Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Voraussetzungen und Ziele Jahrgangsstufe 11 / I Kein Scheme-Vorwissen Grundlegende Computerkenntnisse (Dateien, Ordner, evtl. Editor) Ca. 2 Schüler pro Computer Zeitrahmen: ca. 12 Wochen, 2 Wochenstd. Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Voraussetzungen und Ziele Schüler sollen einfache Probleme in einer Programmiersprache abbilden können (Abstraktion von Daten und Algorithmen) Lernen informatikspezifischer Methoden an Beispielen (Vertiefung und Analyse erst in 12 / 13) Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Übersicht Einführung am Prompt Einfache Funktionen schreiben Erlernen von Kontrollstrukturen Rekursion Listen Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Einführung in Scheme Inhalt der Einheit (1 -2 Doppelstunden) Grundrechenarten an der Kommandozeile Variablen und Zuweisung Laden von Funktionen Ziele der Einheit Erster Einblick in die Programmierung mit Scheme Konzept der Verschachtelung von Ausdrücken verstehen => Funktionen Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Einfache Funktionen Inhalt der Einheit (2 Doppelstunden) Funktionsdefinition einführen Erste Funktionen schreiben lassen Ziele der Einheit Das Funktionsprinzip kennenlernen Schaffung einer „Umgebung“ von Funktionen, Verschachtelung von Funktionen Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Kontrollstrukturen Inhalt der Einheit (2-3 Doppelstunden) Pseudocode Schleifen If-Then Konstrukt Ziele der Einheit Abstrahieren von Problemen: Problem – Pseudocode - Code Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Rekursion Inhalt der Einheit (2-3 Doppelstunden) einfache rekursive Beispiele (Multiplikation durch Addition ausdrücken) Rekursionen anhand eines Beispiels (ggT) durchführen Ziele der Einheit Das Prinzip der Rekursion als Abstraktion kennenlernen Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Listen Inhalt der Einheit (2-3 Doppelstunden) Einführung in den universellen Datentyp „Liste“ Anwendung von (linearer) Rekursion Ziel der Einheit Beispiele für die Verwendung von Listen Verständnis für das rekursive Zugriffsprinzip Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Verlaufsplan einer Unterrichtsstunde aus der Sequenz Rekursion

Hintergrund / Zusammenhang In der vorangegangenen Stunde wurde das Prinzip der Rekursion erarbeitet, und an einfachen Beispielen implementiert, z.B.: Multiplikation auf Addition zurückführen Fibonacci-Zahlen n! Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Simulation der Stunde Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Der Fußboden eines rechteckigen Zimmers ist 3,24 Meter breit und 4,68 Meter lang. Das Zimmer soll mit möglichst großen, quadratischen Teppichfliesen ausgelegt werden. Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Simulation der Stunde Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Verlaufsskizze Thema: Umsetzung des ggT-Algorithmus Stundenziel: Die Schüler sollen das, in der letzten Unterrichtsstunde erarbeitete, Prinzip der Rekursion erkennen und an einer fremden Problemstellung anwenden können. Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Phase Schwerpunkt Form Medien (Inhaltlicher / Methodischer) Schwerpunkt Form Medien Einstieg Problemer- schließende Fragestellung Nennung eines ggT Beispiels. Wie kann der ggT berechnet werden ? UG Tafel Erarbeitung I Hypothesen der Schüler Erarbeitung II Sicherung Explizite Berechnung des ggT sowie Formulierung des mathematischen Algorithmus Zusammentragen der Ergebnisse EA Heft Erarbeitung III Umformulierung des mathematischen Algorithmus in rekursiven Pseudocode Zusammentragen des Pseudo-Codes Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Phase Schwerpunkt Form Medien (Inhaltlicher / Methodischer) Schwerpunkt Form Medien Didaktische Reserve / HA Implementierung des Pseudo-Codes in Scheme Eingabe des Codes EA / PA Heft Computer Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Tafelbild SCHEME CODE ggT: 1799 14 ggT: a b Pseudo- Code ggT: 458759 1799 ggT: 919317 458759 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME ggT : 1799, 14 1799 = 128 * 14 + 7 14 = 2 * 7 + 0 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME ggT : 458759, 1799 458759 = 255 * 1799 + 14 1799 = 128 * 14 + 7 14 = 2 * 7 + 0 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME ggT : 919317, 458759 919317 = 2 * 458759 + 1799 458759 = 255 * 1799 + 14 1799 = 128 * 14 + 7 14 = 2 * 7 + 0 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Pseudo Code ggT (a, b) = wenn (b = 0) dann Ergebnis = a sonst Ergebnis = ggT (b, (a mod b)) Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME SCHEME Code (define (ggt m n) (if (= n 0) m (ggt n (mod m n)) ) Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Fazit

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Forschungsschwerpunkte 1997 - 1998 Fachbereich 15 - Mathematik und Informatik Institut für Informatik Prof. Dr. Achim Clausing  Algorithmen und Datenstrukturen im Informatikunterricht Im Informatikunterricht der Gymnasien werden einfache eindimensionale Such- und Sortierverfahren schon seit Einführung des Fachs behandelt. Während bisher die klassische prozedurale Darstellung vorherrschte, ist in den letzten Jahren mit der stärkeren Verbreitung objektorientierter Programmiersprachen eine neue Sicht auf das Gebiet aufgekommen. Gemeinsam mit einigen Lehrern und Lehrerinnen an hiesigen Gymnasien wurde versucht, eine schulgeeignete Einführung in Algorithmen und Datenstrukturen unter Verwendung der Programmiersprache Java zu entwickeln. Die Ergebnisse sind nicht durchgehend ermutigend, obwohl Java einen Motivationsschub bei Lehrenden wie Lernenden ausgelöst hat. Die Komplexität der Sprache führt dazu, daß das Augenmerk in der Regel zu stark auf die Programmierung und zu wenig auf den eigentlichen Gegenstand gerichtet ist. Zur Zeit wird von uns deshalb eine objektorientierte Variante der Sprache Scheme entwickelt, die ähnlich wie Scheme einfach und doch mächtig, aber zusätzlich konsequent objektorientiert ist. Möglicherweise ist ein solcher Einstieg in die Programmierung schulgeeigneter als ein auf Java basierender Kurs. Beteiligter Wissenschaftler: Prof. Dr. A. Clausing Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Einführung in die Programmierung mit SCHEME Quellenangaben Scheme Forschungsbericht: http://www.uni-muenster.de/Rektorat/Forschungsberichte-1997-1998/fo15ea04.htm Ministerium für Schule und Weiterbildung, Wissenschaft und Forschung des Landes NRW: http://www.mswwf.nrw.de Lehrpläne NRW Informatik SEK II bzw. SEK I ISBN 3-89314-612-1 und ISBN 3-89314-318-1 Einführung in die Programmierung mit SCHEME