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Das Fach Informatik
Robert Krell
Dieser Beitrag ist die 2000 aktualisierte Fassung eines bereits 1997 für ein Schülerjahrbuch geschriebenen Artikels. Seither gibt es allerdings eine Reihe von Neuerungen (Delphi, Java, Homepage-Gestaltung, verändertes SI-Konzept, überschulische Informatik-Leistungskurse, usw.), die hier noch nicht aufgeführt sind. Außerdem wurde die gesamte Geräte-Ausstattung inzwischen schon zwei Mal durch neue, jeweils noch leistungsfähigere und mehr Geräte sowie eine neue Vernetzung, die sogar die meisten Klassenräume umfasst, ersetzt. Einige Passagen, die sich auf die alte Geräteausstattung beziehen, habe ich daher jetzt entfernt. Hinsichtlich der Lehrpläne und Inhalte wird hier aber weiterhin der Stand von 2000 wieder gegeben; neuere Informationen finden sich auf meiner Informatik-Hauptseite und anderen Seiten in meinem Webangebot.
Nicht dargestellt wird im Übrigen, dass wir in den Jahren 2001 bis 2003 bahnbrechend „überschulische", d.h. zentrale Leistungskurse auch für Schülerinnen und Schüler anderer Düsseldorfer Gymnasien angeboten haben, inzwischen aber wegen unseres eigenen hohen Bedarfs an Informatiklehrerinnen und -lehrern dafür leider keine Kapazitäten mehr frei haben.
Zum Verständnis muss angemerkt werden, dass an unserer Schule neben der 'normalen' gymnasialen Oberstufe auch ein integrierter Berufskolleg-Zweig besteht. Dort können die Schülerinnen und Schüler die Fächer im Kurssystem nicht einzeln zusammenstellen, sondern müssen sich für ein Paket ('Bildungsgang') entscheiden. Das erlaubt aber die Vermittlung zusätzlicher, spezifischer Inhalte sowie fächerübergreifenden Unterricht, wodurch noch mehr Lernziele erreicht werden können. Im Fall des Bio-Profils (=Bildungsgang 3) wird durch die Koppelung eines Biologie- und eines Chemie-Leistungskurses mit weiteren Fächern und zusammen mit zusätzlichen Praktika sogar ermöglicht, dass anschließend an das Abitur nach einem weiteren Schuljahr die Berufsabschlussprüfung zur Biologisch-Technischen-Assistentin bzw. zum BT-Assistenten abgelegt werden kann. Bei den BTAs 14/15 handelt es sich hingegen um Schülerinnen und Schüler, die an anderen Gymnasien bereits das Abitur abgelegt haben, und dann zu uns kommen, um nach zwei Schuljahren Biologisch-Technische-Assistent(inn)en zu werden. Das Fach Informatik -- Technische Kommunikation genannt -- ist eines der Prüfungsfächer der Berufsabschlussprüfung.
Das Mathe-Kolleg (=Bildungsgang 1: Abitur mit Schwerpunkt Mathematik/Informatik) koppelt u.a. einen Mathematik- und einen Informatik-Leistungskurs mit einer Reihe weiterer Fächer (Philosophie, Englisch, Physik..) und führt zum Abitur, vermittelt aber keinen zusätzlichen formalen Berufsabschluss (für Details: siehe meine Seite „Lessing-Gymn./-BK").
Da sich Inhalte und Methoden des Schulfaches Informatik in den einzelnen Jahrgangsstufen deutlich unterscheiden, werden die Schwerpunkte im Folgenden skizziert.
Informatik in der Mittelstufendifferenzierung 9/10
Das Fach Informatik "beginnt" in der Mittelstufendifferenzierung ab Klasse 9, wo es sich anhaltend starker Beliebtheit erfreut. Ca. 2/3 der Schülerinnen und Schüler wollten Informatik belegen; es konnte aber wegen Lehrermangels in diesem Jahr nur ein Kurs eingerichtet werden. Dabei hat es sich längst herumgesprochen, dass man hier nicht etwa mit dem Abschießen von Alien-Kampfgeschwadern oder mit Adventure-Spielen zum Erfolg kommt, sondern oft angestrengt arbeiten muss:
Der Entwurf von Computer-Programmen erfordert nicht nur zunächst den vollen Durchblick durch das zu bearbeitende Problem, sondern auch die Fähigkeit, alle Lösungsschritte detailliert in richtiger Reihenfolge und unter Beachtung aller möglichen Sonderfälle "idiotensicher" in die Computersprache zu übersetzen, wobei noch deren Grammatik und Rechtschreibung beachtet werden muss. Und das alles, nur damit z.B. der Logo-Igel eine Schneeflocke zeichnet oder im Textmodus ein einfacher Glücksspielautomat simuliert wird. Außerdem müssen noch 2 Klassenarbeiten pro Halbjahr geschrieben werden!
Zusätzlich wird in der Mittelstufe auch der sachgerechte Umgang mit Standardsoftware gelernt: Tabellenkalkulation, Textverarbeitung und Datenbanken müssen gemeistert werden. Grundsätzliche Techniken stehen genauso auf dem Programm wie z.B. die Frage "welche Schriftart für welchen Inhalt?" oder Diskussionen über den verantwortungsbewussten Umgang mit dem Computer. Weil moderne kommerzielle Softwarepakete besonders unter Windows hohe Hardware-Anforderungen stellen, brauchen die SI-Schülerinnen und -Schüler in diesem Unterrichtsabschnitt die besten Computer.
Ebenfalls in der Mittelstufe werden auch Bits und Bytes erläutert. Es wird klar, warum die Umlaute in einem Text, der zwischen edit.com und notepad.exe ausgetauscht wird, so schlecht aussehen. Grundfragen des Computeraufbaus und die Funktionseinheiten eines von-Neumann-Rechners werden thematisiert. Umgang mit Simulationssoftware rundet dieses Halbjahr ab. Inzwischen gelingt auch die Einbeziehung des Internets in den Unterricht, wobei nach einer Einführung in HTML Webseiten nicht nur im Texteditor, sondern auch mit professionellen Werkezeugen erstellt werden. Die Betreuung der Schul-Homepage erfolgte anfangs sogar von einigen Schülern des Mathe-Kollegs 11 (s.u.).
Informatik-Grundkurse in den Stufen 11 bis 13
In den Jahrgangsstufen 11 bis 13 des Gymnasiums erfolgt nochmal ein neuer Einstieg in das Fach. Um hier Algorithmen (=exakte Arbeitsanweisungen) umzusetzen, wird bisher die Sprache Pascal verwendet -- wobei die erste Einführung in die grundsätzlichen Kontrollstrukturen zunächst oft noch in pascal-ähnlicher Beschreibung mit Niki, dem Roboter, erfolgt. Überlegungen, hier auch Java oder Delphi einzusetzen, wurden bisher nur punktuell umgesetzt. In Zukunft ist hier mehr zu erwarten.
Prozedurtechnik und das Verwenden zunehmend komplexerer Datenstrukturen werden an Aufgaben aus verschiedensten Anwendungsbereichen geübt: Telekom-Rechnungen (ohne die früher üblichen Freieinheiten allerdings von der Informatik her nicht mehr so interessant), kleine selbst programmierte Spiele (besonders beliebt: Autorennen " O>o " -- aktuelle Beispiele auf der Informatik-Hauptseite) oder die Verwaltung der Namen und Telefonnummern der Freunde und Freundinnen, wobei auch der Datenschutz thematisiert wird.
Ein Halbjahr über 'Aufbau und Funktion des Computers', weiterer Unterricht über abstrakte Datentypen und ihre objektorientierte Implementierung sowie allgemeine Fragen der Informatik, insbesondere nach der Effizienz und grundsätzlichen Grenzen von Programmen runden die Stoffauswahl in der SII ab.
Methodisch werden immer wieder und immer größere Projekte arbeitsteilig angefertigt, wobei auch Grundlagen des Projektmanagements und verschiedene Führungsstile diskutiert werden.
Stoffauswahl und -abfolge werden übrigens z.Z. überarbeitet: Ab dem Schuljahr 2000/2001 wird ein besonderer Grundkurs Informatik für Schülerinnen und Schüler angeboten, die auch gemeinsam den Leistungskurs Sozialwissenschaften und einen Grundkurs Deutsch besuchen (Lernprofil 1). Dadurch kann für diese Schülergruppe fächerübergreifendes Lernen leichter verwirklicht werden: die drei Fächer arbeiten in Teilbereichen zusammen und werden Inhalte aufeinander abstimmen, um im Bereich „Information - Medien - Gesellschaft" erhöhte Kompetenz zu vermitteln. Natürlich werden weiterhin auch die richtliniengemäßen Inhalte vermittelt, jedoch oft an auch im Hinblick auf die anderen beiden Fächer gewählten Beispielen.
Informatik-Leistungskurse im Mathe-Kolleg 11-13 (Bildungsgang 1)
Grundsätzlich werden Leistungskurse im Fach Informatik bei uns nur für den Bildungsgang 1: Allgemeine Hochschulreife mit Schwerpunkt Mathematik/Informatik (=„Mathe-Kolleg") angeboten.
Im Prinzip gilt hier der schon für die bisherigen Grundkurse genannte Themenkreis. Aufgrund der höheren Stundenzahl und des noch größeren Engagements der Teilnehmerinnen und Teilnehmer können die Inhalte aber in größerer Tiefe behandelt werden. Beispielsweise kann im Hardwarehalbjahr nicht nur -- in Zusammenarbeit mit der Physik -- der Aufbau von Computerschaltungen behandelt werden, sondern es werden auch Grundfähigkeiten der Assemblerprogrammierung erworben und sogar -- sofern eine entsprechende Vertiefung des Themas gewünscht bzw. vorgenommen wird -- ein eigener Compiler für die automatische Übersetzung der Hochsprache in den Assemblercode geschrieben. Natürlich erzwingt dies auch eine theoretische Durchdringung von Sprachkonzepten und Grammatik-Hierarchien.
Bei den abstrakten Datentypen werden die Objekte Keller, Schlange, Liste und (AVL-) Baum erarbeitet und implementiert; allgemeine Graphenalgorithmen mit verschiedenen Strategien der Wegsuche folgen (Tiefensuche, Breitensuche). Grenzen der Verfahren werden behandelt und immer wieder Aufwandsabschätzungen betrieben. So lässt sich die optimale Liefertour für den Besuch mehrerer Ladenfilialen im Stadtgebiet ebensowenig finden wie der optimale Stundenplan -- gerade Oberstufenschüler müssen dies durch eine Reihe Freistunden oft schmerzlich erfahren.
Schließlich wird mit Prolog noch in einer anderen, nicht-befehlsorientierte Programmiersprache gearbeitet und es folgt ein Einstieg in die Künstliche Intelligenz (auch wenn manchen Menschen gelegentlich schon Zweifel an der natürlichen Intelligenz gekommen sein sollen).
Im Unterricht werden verschiedene Schwerpunkte gesetzt: z.B. Automaten, Sprachen und Compilerbau oder allgemeine Strategien (Greedy, Teile&Herrsche,..). In der jetzigen 13 wurden beispielsweise Spielbäume, Bewertungsverfahren und Spielstrategien behandelt und als Projekt in arbeitsteiligen Gruppen ein spielstarkes Vier-Gewinnt-Spiel entwickelt, das auch von Optik, Geschwindigkeit und Bedienungskomfort käuflichen Produkten keinesfalls nachsteht.
Informatik im Bio-Profil 11-13 (Bildungsgang 3) und bei den BTAs 14/15
Der Unterricht für die künftigen BTAs unterscheidet sich deutlich von der übrigen SII-Informatik. In den 2 (jetzt erstmals 3) Stunden pro Woche werden zunächst marktübliche Standardsoftware-Programme wie Tabellenkalkulation und Datenbanken genutzt, um deren grundsätzlichen Gebrauch kennen zu lernen und fachspezifische Aufgaben aus den Schwerpunktfächern mit Computerunterstützung zu lösen. Die Auswertung chemischer und biologischer Versuche, die grafische Darstellung der Ergebnisse und die gezielte Verwendung einer Chemikaliendatenbank gehören ebenso hierzu wie das Erstellen von Anwendungen für den künftigen Arbeitsplatz bzw. das eigene Labor mit automatisiertem Rechnungs- und Mahnwesen.
Natürlich müssen auch hier grundsätzliche Überlegungen und theoretische Grundlagen (z.B. über relationale Datenbanken) dafür sorgen, dass nicht einfach ein gegebenes Programm "bedient" wird, sondern die Schülerinnen und Schüler mit allgemeinen Entwurfstechniken ihre späteren Erfordernisse auch in künftigen Softwareprodukten zuverlässig umsetzen können.
Wie bereits im letzten Jahr erprobt, findet auch diesmal die Einführung in das Selber-Programmieren nicht mit Niki oder Pascal statt. Vielmehr wird mit Object-PAL, einer delphi-ähnlichen Sprache, die mit dem verwendeten Datenbankprogramm Paradox mitgeliefert wird, direkt visuelles, objektorientiertes Programmieren erlernt (vgl. Kurs zum Download auf der Informatik-Hauptseite beim Unterrichtmaterial). Inzwischen wird auch Delphi direkt eingesetzt.
Bei den BTAs 14/15 gehört Informatik bzw. Technische Kommunikation zur Berufsabschlussprüfung.
Hardwareausstattung und Internet
Wie immer wären bessere und schnellere Geräte mit aktueller Software wünschenswert, ja notwendig -- sind aber von der Schule nicht finanzierbar. Natürlich haben wir am Programm „Schulen ans Netz" teilgenommen. Der damals gelieferte eine Internet-Rechner war allerdings recht bescheiden ausgestattet und musste erstmal aufgerüstet werden. Selbstverständlich hat die Recherche im world wide web und die Nutzung der Internet-Dienste zunehmend Eingang in den Unterricht aller Stufen finden. Manche Details hierzu wurden schon oben im Abschnitt 'Informatik in der Mittelstufendifferenzierung 9/10' mitgeteilt; mehr findet sich unten bei 'Mögliche Zukunft der Schulinformatik'.
Mit Elternspenden konnte Ende 2000 der zweite Computer-Raum mit 500-MHz-Pentium-III-Rechnern komplettiert werden; durch Arbeit zweier Lehrer auch während der Herbstferien wurde die Vernetzung und der schnelle Internet-Zugang von allen Computern aus möglich.
Lehrersituation am Lessing
An unserer Schule gibt es inzwischen vier Lehrer, die das Staatsexamen in Informatik abgelegt haben -- davon haben drei Informatik mit viel Engagement nachträglich neben dem Beruf studiert und sich dann erfolgreich der Prüfung unterzogen. Auch die anderen Lehrkräfte haben sich in mehrjährigen Fortbildungsmaßnahmen und mit erheblichem persönlichen Einsatz in dieses neue Schulfach eingearbeitet. Ihre Begeisterung ist auch im Unterricht spürbar, ihr Engagement überträgt sich meist auf die Schülerinnen und Schüler. Schade ist nur, dass die Lehrkräfte alle auch Mathematik- und/oder Physik- bzw. Chemielehrer sind: wegen des Lehrermangels in diesen Fächern muss der Informatikunterricht gelegentlich Kürzungen hinnehmen.
Insgesamt verfügt aber gerade unsere Schule über besonders viele qualifizierte Lehrer, was ein hohes Ausbildungsniveau sichert. Dass in den vergangenen Jahren unsere Abiturvorschläge mehrfach in die Lehrerfortbildung übernommen wurden, legt davon ebenfalls beredtes Zeugnis ab.
Einstellungen der Schülerinnen und Schüler
Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Informatikkurse sind i.a. recht gut motiviert und heute trotzdem erfreulich "normal" -- während vor ca. 20 Jahren, bei den ersten Anfängen des Faches an unserer Schule, die "Freaks" die Szene beherrschten. Allerdings erforderten die -- aus heutiger Sicht -- extrem bescheidenen technischen Möglichkeiten auch andere Vorgehensweisen, musste mit Tricks und Kniffen das Letzte aus den damaligen Maschinen geholt werden. Dafür konnte man damals nach einem Dreivierteljahr Informatikunterricht Programme schreiben, die durchaus dem Standard der damals verfügbaren kommerziellen Software entsprachen.
Obwohl die Programme der Schülerinnen und Schüler 1999/2000 mindestens ebenso gut sind, wie die früherer Schüler, hat sich der Markt seither gewandelt: Kommerzielle Programme sind nicht mehr 1- bis 2-Mann/Frau-Erzeugnisse, sondern zu Millionen-DM-Projekten angewachsen und kommen auf 10 bis 20 Installationsdisketten oder CD mit Filmsequenzen und Soundeffekten daher. Gerade Mittelstufenschüler, die zuhause 80-MB-Spiele mit Animationen in 16 Mio. Farben benutzen, sind daher manchmal etwas enttäuscht, wenn im Unterricht auch nach einem halben Jahr Logo nur einfarbige Strichzeichnungen herauskommen.
Mögliche Zukunft der Schulinformatik
Hier liegt vielleicht eine der künftigen Aufgaben des Informatikunterrichts: statt Programmiersprachen wie Logo könnten Softwaretools (z.B. Delphi?) eingesetzt werden, um bei eigenen Programmen wieder das "Look & Feel" marktüblicher Produkte zu erreichen. Die finanziellen Möglichkeiten der Schule sind aber sicher mehr als überfordert, wenn Hardware und Entwicklungswerkzeuge entsprechend im 2- bis 3-Jahres-Rhythmus ausgetauscht werden müssten. Darüber hinaus sind auch "intuitiv bedienbare" Entwicklungsumgebungen nicht ohne Vorkenntnisse und nicht ohne ein durch herkömmliches Programmieren erworbenes Grundverständnis zu bedienen, jedenfalls vermutlich nicht für den Start im Mittelstufenunterricht geeignet.
Möglicherweise ist schon der Anspruch, in der Schule Programme entsprechend dem Marktstandard entwickeln zu wollen, ein überholtes Relikt aus den Anfangstagen eines Faches, das doch eigentlich Grundlagenwissenschaft ist. So stört es ja auch niemanden, dass im Physikunterricht zwar Ohm- und Kirchhoff-Gesetze besprochen oder Mechanik und Wärmelehre unterrichtet werden, aber weder eine fertige HiFi-Anlage noch ein komplettes Motorrad zusammengebaut werden (obwohl mancher Teilnehmer gerne ein solches Produkt hätte). Und auch im Deutschunterricht leidet offenbar niemand darunter, dass Schülerinnen und Schüler nur Aufsätze von einigen handschriftlichen Seiten anfertigen, während käufliche Bücher über viele Hundert ordentlich gesetzter und orthografisch weitgehend fehlerfreie Druckseiten verfügen. Natürlich werden fertige Romane oder Dramen im Deutschunterricht gelesen, analysiert und interpretiert -- müssen aber doch nicht selbst geschrieben werden!
Hier wird das noch junge Fach Informatik noch an seinem Selbstverständnis arbeiten müssen.
Mädchen und Jungen, Beherrscher und Beherrschte
Eine früher angebotene Arbeitsgemeinschaft 'Informatik für Mädchen' in der SI wurde mangels Interesses eingestellt -- erfreulich ist, dass Informatik in der Mittelstufe und in den Grundkursen der SII längst von Mädchen und Jungen gleichermaßen geschätzt und auch gleichermaßen gewählt wird. Nur im Mathe-Kolleg sind -- trotz gerade auch für Frauen guter Berufsaussichten in diesem Feld -- Mädchen immer noch unterrepräsentiert. In den Bio-Profilen bzw. den BTA-Kursen liegt hingegen der Mädchenanteil deutlich über 50%, was allerdings die Attraktivität dieser Kurs-Pakete (und nicht nur des Informatik-Unterrichts) für weibliche Schülerinnen widerspiegelt.
Beim Wahlverhalten in der 11. Klasse ist der Trend zur Informatik etwas zurück gegangen. Offenbar wird -- nicht ganz zu Unrecht -- befürchtet, dass einem hier der Schulerfolg ohne eigene Anstrengung nicht automatisch in den Schoß fällt. Früher gelegentlich anzutreffende, nicht von den Geschlechtern abhängige ideologischen Gründe scheinen nicht mehr so entscheidend: Die Zahl derer, die Informatik grundsätzlich ablehnen und partout nichts mit dem "Teufelsding" Computer zu tun haben wollen, sinkt zum Glück.
Wer nämlich absichtlich der Informatik ausweicht, verkennt nicht nur die Realität der Arbeitswelt, wo heute kein Tierpfleger und keine Forstwirtin, keine Büroangestellte und kein Psychologiestudent mehr ohne dieses Werkzeug auskommen kann, sondern drängt sich selbst in die Rolle, die er/sie vermeiden will: Wer künftig nicht den sinnvollen Umgang mit dem Computer beherrscht und ihn im Rahmen seiner Möglichkeiten und Grenzen sinnvoll und bewusst nutzen kann, gehört schnell zu den Beherrschten - offenbar hat man nur die Wahl, „User oder Loser" zu sein!
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