Einführung in die Programmierung mit SCHEME

Präsentation zum Thema: "Einführung in die Programmierung mit SCHEME"—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

2 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

3 Informatikunterricht an Schulen
Sekundarstufe I

4 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

5 Informatikangebot in der SEK I
Hauptschule

6 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

7 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

8 Informatikangebot in der SEK I
Realschule

9 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

10 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

11 Informatikangebot in der SEK I
Gymnasium

12 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

13 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

14 Informatikangebot in der SEK I
Gesamtschule

15 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

16 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

17 Ziele des Informatikunterrichts
Sekundarstufe I

18 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

19 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

20 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

21 Informatikangebote in der SEK I
Fazit

22 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

23 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

24 Informatikunterricht an Schulen
SEK II

25 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

26 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

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

28 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

29 Lehrinhalte 11 / 12 / 13

30 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

31 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

32 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

33 Entwurf einer Unterrichtsreihe: Einführung in die Programmierung mit SCHEME

34 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

35 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

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

37 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

38 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

39 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

40 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

41 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

42 Verlaufsplan einer Unterrichtsstunde aus der Sequenz Rekursion

43 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

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

45 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

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

47 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

48 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

49 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

50 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

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

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

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

54 Einführung in die Programmierung mit SCHEME

55 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

56 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

57 Fazit

58 Einführung in die Programmierung mit SCHEME
Forschungsschwerpunkte 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

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Quellenangaben Scheme Forschungsbericht: Ministerium für Schule und Weiterbildung, Wissenschaft und Forschung des Landes NRW: Lehrpläne NRW Informatik SEK II bzw. SEK I ISBN und ISBN Einführung in die Programmierung mit SCHEME