Eine objektorientierte Sichtweise erleichtert Schülerinnen und Schülern das Verständnis für Informatiksysteme. Deshalb erscheint es sinnvoll, Elemente der objektorientierten Modellierung bereits in den Anfangsunterricht Informatik aufzunehmen.Die hier vorgestellte Lernumgebung bietet eine Einführung in die Idee der Objektorientierung. Die Schülerinnen und Schüler lernen die informatischen Begriffe und Inhalte ?Objekt?, ?Attribut?, ?Attributwert?, ?Methode? und ?Klasse? kennen. Dadurch erwerben sie ein produktunabhängiges Verständnis für Informatiksysteme mit hohem Transferpotenzial. Als Beispiel wird die Software GEONExT für dynamische Mathematik genutzt und objektorientiert modelliert. So entstehen fruchtbare Verbindungen zwischen den Fächern Informatik und Mathematik. Informatische Bildung Der Informatikdidaktiker Steffen Friedrich hat den Begriff der informatischen Bildung konkretisiert, indem er vier didaktische Leitlinien für den Informatikunterricht formulierte: Umgang mit Informationen Wirkprinzipien von Informatiksystemen Problemlösen mit Informatiksystemen Arbeiten mit Modellen Insbesondere sollen die Schülerinnen und Schüler Probleme erkennen, die mit Informatiksystemen gelöst werden können, die Fähigkeit erwerben, sich in die zielorientierte Nutzung von Informatiksystemen einzuarbeiten und Problemlösungen in Bezug auf ihre Relevanz und Effizienz bewerten. Dabei sollen sie einen Einblick in gesellschaftlich bedeutsame Anwendungen der Informations- und Kommunikationstechnologien erhalten, deren Chancen und Risiken erkennen und Bereitschaft zu verantwortungsvollem Umgang mit derartigen Systemen entwickeln. Sie erleben beim Arbeiten, dass Modellbildung ein zentrales Element des Problemlösens mit Informatiksystemen ist, lernen Modellierungstechniken kennen und sehen die Gültigkeitsgrenzen und die Kritikbedürftigkeit von Modellen ein. Modellierung von Informatiksystemen Im Anfangsunterricht Informatik kann die Arbeit mit Standardsoftware, etwa zum Gestalten von Grafiken, zum Verfassen von Texten, zum Verwalten von Daten oder zum elektronischen Versenden von Nachrichten im Mittelpunkt stehen. Dabei geht es neben dem Erwerb grundlegender Bedienerfertigkeiten auch und vor allem um ein tieferes Verständnis für die zugehörigen Strukturen, denen die Prinzipien der Objektorientierung zu Grunde liegen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Objekte identifizieren, deren Attribute und Methoden erkennen und die Objekte klassifizieren. Auf diese Weise entwickeln sie exemplarisch Modelle der Informatiksysteme, die ihnen ein übergeordnetes, produktunabhängiges und längerfristig nutzbares Verständnis für diese Art von Software ermöglichen. Unterrichtsverlauf und Stationen der Lernumgebung Die eingesetzte Lernumgebung besteht aus HTML-Seiten mit GEONExT-Applikationen und umfasst acht aufeinander aufbauende Stationen. Didaktische und technische Hinweise Tipps zur Binnendifferenzierung und zum Arbeiten mit dem Heft, um oberflächliches "Durchklicken" durch die Lernumgebung zu verhindern Die Schülerinnen und Schüler sollen die Idee der Objektorientierung kennen lernen. Informatiksysteme objektorientiert modellieren können. die Bedeutung der objektorientierten Sichtweise im Alltag erfahren. Thema Objektorientierte Modellierung mit GEONExT Autor Prof. Dr. Volker Ulm Fach Informatik Zielgruppe Klasse 5-8 Zeitraum 10 Stunden Technische Voraussetzungen Browser mit Java-Unterstützung, Java Runtime Environment (kostenloser Download) Software GEONExT (kostenloser Download auf der GEONExT-Homepage) Arbeiten mit einer computerbasierten Lernumgebung bedeutet keineswegs ausschließliches Arbeiten am Rechner. Ziel des Mediums Computer ist es, den Schülerinnen und Schülern informatische Inhalte näher zu bringen, im hier beschriebenen Unterrichtsbeispiel die objektorientierte Modellierung. Die entscheidenden Vorgänge laufen dabei nicht am Rechner, sondern im Kopf des Schülers ab, der beim Arbeiten kognitive Strukturen aufbaut. Hierfür bedarf es aber des Zusammenwirkens vieler unterrichtlicher Komponenten: Individuelles Arbeiten am Computer und auf Papier, die Kooperation mit den Mitschülern und das Unterrichtsgespräch im Klassenplenum beeinflussen und befruchten sich wechselseitig. Die Lernumgebung umfasst acht Stationen, die in der angegebenen Reihenfolge bearbeitet werden sollten, da sie aufeinander aufbauen. Station 1: GEONExT kennen lernen Die Schülerinnen und Schüler gewinnen einen ersten Zugang zu dem Informatiksystem. Sie experimentieren mit Punkten, Strecken, Geraden und Kreisen und fertigen damit eigene Zeichnungen an. Station 2: Eigenschaften erkunden Die Attribute der Objekte werden erkundet und ihre Attributwerte verändert. Am Beispiel eines Objekts "Punkt" fertigen die Schülerinnen und Schüler eigenständig eine Übersicht über gefundene Objekteigenschaften an und dringen damit in die Welt der Objektorientierung ein. Station 3: Vokabeln der Informatik Die Schülerinnen und Schüler und lernen die Fachbegriffe "Objekt", "Attribut", "Attributwert" und "Methode" anhand von GEONExT-Objekten kennen. Station 4: Vielecke Vielecke eröffnen neue Möglichkeiten beim Zeichnen von Bildern. Anhand eines Fünfecks werden die bislang gelernten Fachbegriffe wiederholt und vertieft. Station 5: Freie und abhängige Objekte Für ein tiefer gehendes Verständnis für dynamische Konstruktionen ist die Differenzierung zwischen freien und abhängigen Objekten sinnvoll. Die Lernenden erfahren insbesondere den Unterschied zwischen freien Punkten und Schnittpunkten. Station 6: Klassen Es zeigt sich, dass es zweckmäßig ist, gleichartige Objekte zu Klassen zusammenzufassen. Die erarbeiteten Begriffe der Objektorientierung werden auf vielfältige Bereiche aus der alltäglichen Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler übertragen (zum Beispiel Klasse "Fahrrad"). Station 7: Textfelder Mit Textfeldern lernen die Schülerinnen und Schüler eine neue Klasse kennen. Sie versehen Zeichnungen mit Beschriftungen und verändern deren Attributwerte. Speziell dynamische Textfelder zum Messen von Entfernungen und Winkeln stellen ein mächtiges Werkzeug zum quantitativen Arbeiten mit dynamischen Konstruktionen dar. Station 8: Weiter experimentieren Den Lernenden steht die vollständige GEONExT-Oberfläche zur Verfügung. Sie experimentieren insbesondere mit Parallelen, Senkrechten und Rechtecken. Das Speichern und Laden von Daten führt zu neuen Themenbereichen (Speichermedien, Pfad einer Datei, ... ). Durch den Export von Daten in andere Informatiksysteme (Textverarbeitung, Rastergrafikprogramm) ergeben sich vielfältige Verknüpfungen im informatischen Wissen der Schülerinnen und Schüler. Im Anfangsunterricht Informatik treten im Rahmen eigenständigen Arbeitens die unterschiedlichen Arbeitstempi der Lernenden besonders deutlich zu Tage. Hier machen sich insbesondere stark differierende Vorerfahrungen im Umgang mit Computern bemerkbar. Um derartige Unterschiede im Unterricht abzufangen, enthält die Lernumgebung Seiten, die sich speziell an schnellere, leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler wenden: Nicht jede Station muss von jedem Schüler bis zur letzten Seite bearbeitet werden. Die Kerngedanken befinden sich in der Regel auf den ersten Seiten der Stationen. Die Stationen 2 (Eigenschaften erkunden), 4 (Vielecke) und 5 (Freie und abhängige Objekte) besitzen auf ihrer letzten Seite einen Link "Vertiefung". Er führt jeweils zu einem Exkurs, der die Thematik der entsprechenden Station weiter vertieft. Die letzten beiden Stationen 7 (Textfelder) und 8 (Weiter experimentieren) besitzen eine gewisse Pufferfunktion. Sie können bei Zeitknappheit gekürzt und nur in Ausschnitten bearbeitet werden beziehungsweise schnelleren Schülerinnen und Schülern zu einer weiterführenden Beschäftigung mit GEONExT und anderen Informatiksystemen dienen. Allerdings lässt sich beim eigenständigen Arbeiten der Lernenden beobachten, dass einige nur deshalb "schnell" sind, weil sie die Stationen nur oberflächlich bearbeiten, ohne in die informatische Tiefe vorzudringen und ohne die schriftlichen Arbeiten gewissenhaft anzufertigen. Die Lehrkraft kann den Schülerinnen und Schülern dies durch geeignete Fragen zur Lernzielkontrolle vor Augen führen. Die Schülerinnen und Schüler werden in der Lernumgebung immer wieder aufgefordert, ihre Überlegungen und Ergebnisse eigenständig in ihr Heft zu notieren und Übersichten und Diagramme - etwa zur Darstellung der Eigenschaften von Objekten - auf Papier zu entwerfen. Ein derartiges Arbeiten im Heft hilft, die Thematik sorgfältig zu durchdringen und die Gedanken zu ordnen und zu strukturieren. Zudem soll dadurch verhindert werden, dass sich die Schülerinnen und Schüler nur oberflächlich mit den beweglichen Konstruktionen am Bildschirm befassen, dass sie die Seiten wie bei einem Computerspiel austesten, ohne zum eigentlichen informatischen Gehalt vorzudringen. Die Aufforderung, Beobachtungen und Überlegungen aufzuschreiben, verlangsamt den Prozess des "Durchklickens" und schafft für die Schülerinnen und Schüler damit den Zeitrahmen, der für Lernprozesse unentbehrlich ist. Damit alle Schülerinnen und Schüler die erarbeiteten Ideen der Objektorientierung und die zugrunde liegenden Fachbegriffe dauerhaft und verbindlich Schwarz auf Weiß zur Verfügung haben, führen Links auf der jeweils letzten Seite der Stationen 3 und 6 zu zusammenfassenden Ergebnisblättern, die entweder mit Microsoft Word oder dem Adobe Reader angesehen und ausgedruckt werden können. Die Lernumgebung dieser Unterrichtseinheit besteht aus HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser betrachtet werden können. Damit der Browser die dynamischen Konstruktionen anzeigen kann, benötigt er Java-Unterstützung. Bei Netscape ist dies beispielsweise automatisch erfüllt. Bei anderen Browsern (zum Beispiel Internet Explorer) kann es notwendig sein, das Java2 Runtime Environment der Firma Sun Microsystems nachträglich zu installieren. Vielfältige Möglichkeiten des Downloads finden Sie auf der GEONExT-Homepage. Für die Nutzung unter Windows bietet sich das im Bereich "Download" angebotene Installationspaket "GEONExT & Java2 Runtime Environment" an. GEONExT-Homepage Auf der GEONExT-Website können Sie die Software für Linux, Mac OS X und Windows herunterladen.

Die Unterrichtseinheit "Sport und Informatik" zeigt anhand zweier Beispiele, wie im Zusammenhang mit der Bewegungsanalyse spielerisches Lernen im Unterricht mithilfe von Simulationen möglich ist.Im Informatikjahr wurde anhand von Themen wie Mobilität, Gesundheit und Sport exemplarisch deutlich gemacht, wo und wie sehr die Informatik in unserem Alltag präsent ist. Wo steckt die Informatik im Sport? Informatik wird für Bewegungsanalysen genutzt und verändert Trainingsmethoden, sie steckt im Sportschuh ebenso wie in Sportgeräten und natürlich werden umfangreiche Datenbestände mit Computern aufbereitet. Videotechnik in Verbindung mit computergestützten Analysemöglichkeiten bietet auch im Sport-Unterricht viele Vorteile. Simulation von Korbwürfen Lesen Sie hier eine Kurzbeschreibung der Korbwurf-Simulation und schauen sich weitere Materialien an. Wie gelingt der Salto vorwärts? Lesen Sie hier eine Kurzbeschreibung der Salto-Simulation und schauen sich weitere Materialien an. Die Schülerinnen und Schüler kennen Möglichkeiten computergestützter Simulationen bei der Analyse sportlicher Bewegung. formulieren gezielt Hypothesen über die Bedeutung von Abwurf- und Absprungwinkel sowie Bewegungsgeschwindigkeit und überprüfen diese sowohl im Computermodell als auch durch eigene praktische Versuche. erfassen die Bedeutung biomechanischer Prinzipien und ihre mediengestützte Überprüfung im Sport (Computersimulation, Video-Analyse eigener Sportpraxis).

Mathematik- und Informatik-Unterricht kombiniert: In der Einheit "Statistik meets Wahrscheinlichkeitsrechnung" werden in erster Linie mithilfe von Simulationen am PC Daten zu Zufallsexperimenten erfasst. Als Ergänzung werden Elemente der Wahrscheinlichkeitsrechnung betrachtet, um Erwartungswerte und andere Größen bei solchen Experimenten zu berechnen. Mit dem Vergleichen der Werte aus der Datensammlung mit den theoretischen berechneten Werten soll ein tieferes Verständnis für die Größen gefördert werden."Es gibt für alles eine App" - aber einige Fragen lassen sich oft nur mit Programmieren beantworten. Der PC erzeugt Zufallszahlen, mit welchen man reale Experimente simulieren kann. Hat man ein Grundverständnis für dieses Programmieren, kann man schnell eigene Experimente modellieren und anschließend simulieren. Der Informatik-Unterricht sieht den Umgang mit Tabellenkalkulationen und einer Programmiersprache vor. Damit lassen sich auch Zufallsexperimente simulieren. Im Mathematik-Unterricht werden auch Methoden zur Berechnung von Wahrscheinlichkeiten und Erwartungswerten erarbeitet. In der Unterrichtseinheit werden Zufallsexperimente simuliert. Der Vergleich mit Daten aus der berechnenden Statistik schließt sich den Simulationen an. So kann das Material einerseits im Informatik-Unterricht eingesetzt werden - die Berechnungen können vorgestellt werden, um den simulierten Wert mit berechnetem zu vergleichen -, andererseits in der Mathematik, um die berechneten Werte mit Ergebnissen aus der Simulation zu vergleichen. Ein tieferes Verständnis des Wahrscheinlichkeitsbegriffs und der Größe des Erwartungswertes stellt sich ein. Das Thema "Statistik meets Wahrscheinlichkeitsrechnung" im Unterricht Digitalisierung wird immer wichtiger - in der Mathematik haben viele Möglichkeiten der Statistik leider wenig Raum im Lehrplan finden können, da diese sehr vielfältig sind. Um den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeiten der Statistik näher zu bringen, sollen hier relativ einfache Probleme erarbeitet werden. Das Anwenden der statistischen Methoden an eigenen Daten soll eine Motivation darstellen, die vorgestellten Größen besser kennen zu lernen. Vorkenntnisse Grundlagen im Umgang mit einer Tabellenkalkulation beziehungsweise einer Programmiersprache sollten vermittelt worden sein. Werden nur fertiggestellte Simulationen in den letzten Klassen des Mathematikunterrichts eingesetzt, können Erwartungswert und Standardabweichung mithilfe der Simulationen nähergebracht werden. Didaktische Analyse Dem Zufall begegnet man täglich. Viele Wahrscheinlichkeitsaussagen werden mithilfe messbarer Größen vorhergesagt. Mit einer Wahrscheinlichkeitsaussage möchte man eine relative Häufigkeit voraussagen. Wie gut gelingt das? Es ist nicht möglich, eine sehr große Anzahl von Versuchsdurchführungen in überschaubarer Zeit in echt durchzuführen - deswegen wird simuliert. Einen Einblick, wie man mit dem PC simuliert und was man aus diesen Daten machen kann, sollen die Themen zeigen. Kombination aus Informatik- und Mathematik-Unterricht Erarbeitet man mit der Programmierung Simulationen, kann die Lösung der Mathe Arbeitsblätter verwendet werden, um relative Häufigkeiten mit berechneten Werten zu vergleichen. Auch umgekehrt: Erarbeitet man die Wahrscheinlichkeitsberechnungen, kann man mit Lösungen der Simulationen die berechneten Werte durch relative Häufigkeiten bei Simulationen prüfen. Methodische Analyse Die Themen müssen nicht alle und nicht chronologisch abgearbeitet werden. Ziel der Art der Aufbereitung ist es, an Stellen im eigenen Unterricht mit einem "Thema" zu ergänzen. Für Lernende der Abschlussklassen werden die kurz vorgestellten Größen im Zusammenhang mit Zufallsgrößen möglicherweise als theoretische Konstrukte empfunden - mit der Verwendung vieler Daten (ohne im Detail zu verstehen, wie der Rechner diese erarbeitet) können diese Größe in ihrer Bedeutung nähergebracht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können mathematisch argumentieren (K1). Probleme mathematisch lösen (K2). mathematisch modellieren (K3). können mit symbolischen, formalen und technischen Elementen der Mathematik und Informatik umgehen (K5). modellieren und implementieren (Informatik). kommunizieren und kooperieren (Informatik). darstellen und interpretieren (Informatik). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten sicher am PC mit einer Tabellenkalkulation. verstehen, wie eine Tabellenkalkulation oder der PC viele Werte bestimmen und darstellen kann. erlernen den Umgang mit einer Programmiersprache. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bringen sich bei der Erarbeitung und der Präsentation von Inhalten und Ergebnissen in die Gruppenarbeit ein. werten Daten kritisch aus und kommentieren diese. geben selbst Hilfestellung oder fragen andere nach Hilfe.

Sie möchten Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit bieten, einen Blick hinter die Kulissen eines Rechenzentrums zu werfen? Bei einer virtuellen Tour von Amazon können sie dabei die Berufe der Zukunft kennenlernen und erhalten eine Einführung in Cloud Computing, Datensicherheit und Nachhaltigkeit. Informatik- und Berufsorientierung als spannende, virtuelle Tour verpackt: Schulklassen können kostenfrei eine Gruppentour durchführen und in einem spielerischen Wettbewerb antreten, während sie die Technologie und die Berufe der Zukunft erkunden. Auf der Tour erfahren die Schülerinnen und Schüler, wie es die Cloud und die Rechenzentren möglich machen, Filme von überall und zu jeder Zeit zu streamen. Sie lernen die Komponenten eines Computers kennen, erhalten einen Überblick über die Cloud, erfahren wie Daten durch Glasfaserkabel transportiert werden und wie Protokolle den Daten mitteilen, wohin sie gehen sollen. Sie erfahren auch, wie Rechenzentren die Daten sicher und nachhaltig aufbewahren, damit sich niemand Sorgen um das Hochladen der eigenen Daten in die Cloud machen muss. Die Schülerinnen und Schüler lernen zudem, wie Rechenzentren einen natürlichen Prozess nutzen, um Server vor Überhitzung zu schützen, wie Redundanz und Sensoren sicherstellen, dass Daten immer verfügbar sind, wie Cyber- und physische Sicherheitsmaßnahmen die Daten schützen und wie nachhaltige Maßnahmen getroffen werden, um die Umwelt zu schützen. Auf dem Weg dorthin treffen sie Mitarbeitende, die als Rechenzentrumsbetreibende, Lösungsarchitektinnen und -architekten, Betreibende von Rechenzentrumstechnik und Nachhaltigkeitsspezialistinnen und -spezialisten tätig sind. Voraussetzung ist ein eigenes Tablet oder ein eigener Computer. Die Lehrkraft fungiert als Moderatorin. Alternativ können die Lernenden auch selbstständig die Tour durchführen. Informatik- und Berufsorientierung Schülerinnen und Schüler lernen die Berufe der Zukunft kennen, indem sie erfahren, wie die Arbeit bei Amazon Web Services (AWS) und in den Rechenzentren dafür sorgen, jederzeit von überall zu streamen und Daten nachhaltig zu sichern. Die folgenden Informatik-Themen werden während der Tour vorgestellt und in einem realen Kontext erklärt: Algorithmus, Cloud Computing, Sensorik, Effizienz, Datenbank, Qualitätskontrolle, maschinelles Lernen, Hardware und Software. Spielerisch lernen Die unterhaltsame, spielerische Tour ist für alle interessierten Schulklassen kostenlos bei Kahoot! verfügbar. Die Schülerinnen und Schüler können miteinander spielen und dabei etwas über die Technologie und die dazugehörigen Berufe der Zukunft lernen, die dafür sorgen, dass Daten gespeichert werden und für Nutzerinnen und Nutzer auf der ganzen Welt zugänglich gemacht werden. Es ist kein Konto erforderlich. 360 Grad-Touren zu Berufen bei AWS Schülerinnen und Schüler lernen in Videos (360 Grad-Format oder Desktop-Format) zwei Ausbildungsberufe bei AWS kennen – Fachinformatikerin beziehungsweise Fachinformatiker für Systemintegration und Elektronikerin beziehungsweise Elektroniker für Betriebstechnik. Zudem nehmen sie die Auszubildenden mit durch ihren Berufsalltag. Über Amazon Future Engineer Mit dem Programm Amazon Future Engineer (AFE) hat Amazon sich zum Ziel gesetzt, junge Menschen in Deutschland im Bereich der digitalen Bildung zu fördern. Es stärkt die Kompetenz derjenigen, die bisher weniger Chancen haben, digitale Innovationen zu gestalten, weil sie aus sozial schwächeren Familien kommen sowie einen Migrations- und/oder Flüchtlingshintergrund haben. In der Umsetzung arbeitet Amazon mit gemeinnützigen Partnern aus dem Bildungs- und Digitalbereich zusammen. Amazon Future Engineer ist am 11. November 2021 gestartet. Insgesamt hat das Programm über die Partnerorganisationen im Jahr 2023 mehr als 700.000 Lernstunden ermöglicht, über 200.000 Schülerinnen und Schüler erreicht und mehr als 15.000 Pädagoginnen und Pädagogen geschult. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen die Berufe der Zukunft kennen, zum Beispiel Rechenzentrumsbetreibende, Lösungsarchitektinnen und -architekten, Betreibende von Rechenzentrumstechnik und Nachhaltigkeitsspezialistinnen und -spezialisten. Außerdem lernen sie in Videos (360 Grad-Format oder Desktop-Format) zwei Ausbildungsberufe bei AWS kennen – Fachinformatikerin beziehungsweise Fachinformatiker für Systemintegration und Elektronikerin beziehungsweise Elektroniker für Betriebstechnik. lernen Komponenenten eines Rechenzentrums kennen. erfahren mehr über Datenschutz, Datensicherheit, Datenverfügbarkeit, Streaming etc. erfahren mehr über Cyber- und physische Sicherheitsmaßnahmen sowie nachhaltige Maßnahmen in einem Rechenzentrum. erfahren mehr darüber, wie Computer, die Cloud und das Internet funktionieren. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler überprüfen über die Spiel- und Lernplattform Kahoot! ihr Wissen spielerisch und treten mit Klassenkameradinnen und -kameraden in einen spielerischen Wettbewerb.

Diese Lernumgebung bietet eine interaktive Einführung in das Perzeptron und einfache neuronale Feed-Forward-Netzwerke. Sie erzählt eine Geschichte über einen Anwendungsfall für Klassifikation, in die mehrere Aufgaben eingebettet sind. Künstliche Intelligenz ist an vielen Stellen völlig alltäglich geworden. Meistens sind diese Systeme aber nur Black-Boxen in unserem Alltag und es fällt schwer, mehr über die Funktionsweise herauszufinden. Gleichzeitig sind die Themen, wenn man sie unterrichtlich behandeln möchte, mathematisch zu anspruchsvoll für den Schulunterricht, sodass nur ein oberflächlicher Zugang zur eigentlichen Funktionsweise möglich ist. Genauso ist das Umsetzen von existierender Software in eigenen Programmen zwar im Unterricht möglich, aber nur für leistungsstarke Lerngruppen. Zur Lernumgebung gelangen Sie über den Link am Ende dieser Seite. Das "KI-Labor" bietet Möglichkeiten, mit dem eigenen digitalen Endgerät maschinelles Lernen erfahrbar zu machen. Es gibt verschiedene Themenbereiche und Lernumgebungen, in denen selbstständig mit den Möglichkeiten und Grenzen der jeweiligen Technologien experimentiert werden kann. Zur Ausführung der verschiedenen Umgebungen wird lediglich ein moderner Webbrowser benötigt. In dieser Unterrichtseinheit geht es um die Funktionsweise von einfachen neuronalen Netzen (sogenannte "Feed-Forward"-Netzwerke), beginnend mit dem einfachsten dieser Netze – dem Perzeptron. Als Anwendungsfall wird die Klassifikation von Obst anhand ausgewählter Features gewählt. Die Lernumgebung erzählt dazu eine interaktive Geschichte, in die verschiedene Aufgaben eingebettet sind. So muss zunächst das Perzeptron per Hand optimiert werden, das heißt die verschiedenen Modellparameter (Gewichte) passend gesetzt werden. Im Sinne des productive failure wird die Aufgabenstellung dann so erweitert, dass eine sinnvolle Klassifikation mit dem Perzeptron nicht länger möglich ist, dennoch sollen auch hier wieder Parameterwerte gefunden werden. Im nächsten Schritt wird das Perzeptron dann zu einem neuronalen Netz mit einer Zwischenschicht erweitert. Hier gestaltet sich die Parameteroptimierung sehr mühsam, sodass abschließend das Verfahren des automatischen Trainings durch den Backpropagation-Algorithmus als sinnvolle Ergänzung thematisiert wird. Die Einheit eignet sich im Fach Informatik als Einführung in eine Unterrichtseinheit zu maschinellem Lernen (speziell zu neuronalen Netzen) oder auch als fachlicher Anknüpfungspunkt für eine Einheit in einem anderen Fach, wenn es beispielsweise um ethische oder wirtschaftliche Fragen der KI geht. Wird die Einheit im Fach Informatik eingesetzt, so liegen sinnvolle Schwerpunkte auf der grundsätzlichen Funktionsweise von Klassifikatoren als EVA-System (Features als Eingabe, Klassen gegebenenfalls mit Sicherheit als Ausgabe), dem Aufbau von Perzeptren und Feed-Forward-Netzwerken sowie dem Training eines Netzwerks. Hier ist es denkbar, diese auch nochmal außerhalb der Lernumgebung selbst zu programmieren. Die interaktive Geschichte führt über einen konkreten Anwendungsfall in die Funktionsweise von neuronalen Netzen als Klassifikatoren ein. Durch die schrittweise Hinführung und einfach gestaltete Aufgaben, die letztlich durch Experimentieren gelöst werden können, bietet die Geschichte einen Rahmen für eine Unterrichtseinheit. Die behandelten Themen können und sollen im begleitenden Unterricht von der Geschichte abstrahiert und tiefergehend beleuchtet werden. Es ist dabei möglich, einen mathematischen Ansatz zu wählen und die Berechnungen des Perzeptrons in den Vordergrund zu stellen. Genauso ist es möglich, einen informatischen Ansatz zu verfolgen und ein Perzeptron nochmals als Programmieraufgabe umzusetzen. Das ist zum Beispiel auch als Einschub zwischen den beiden oben dargestellten Stunden möglich. Die Erweiterung des Perzeptrons zu vollständigen Feed-Forward-Netzwerken erfolgt aus den Beschränkungen des Perzeptrons direkt im Kontext des Anwendungsfalls der Geschichte. Es wird dabei auch erlebbar, dass die händische Einstellung bereits eines sehr einfachen solchen Netzes nicht sinnvoll gelingt und es automatisierte Lösungen dafür gibt. Diese können im geeigneten Kontext (zum Beispiel Informatik im vertiefenden Bereich der Sekundarstufe II) im Anschluss auch thematisiert und gegebenenfalls programmiert werden. Andernfalls bleibt ein phänomenologischer Ausblick, der etwa durch die Lernumgebung zur Handschrifterkennung des KI-Labors ergänzt werden kann, um die Möglichkeiten größerer Netzwerke zu behandeln. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten in der Lage sein, die Lernumgebung selbst verwenden können. Dafür bietet es sich an, dass sie sich im Vorfeld genau mit den Möglichkeiten auf Aufgaben der Geschichte beschäftigen, um auch für Rückfragen zur Verfügung zu stehen (2.1 Auswahl digitaler Ressourcen). Zudem müssen sie sicherstellen, dass die Lernumgebung – im Sinne der digitalen Teilhabe und gegebenenfalls unter Verwendung assistiver Technologien – von allen Lernenden genutzt werden kann (5.1 Digitale Teilhabe). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erklären, wie ein Perzeptron eine Ausgabe berechnet. analysieren den Einfluss von Parametern in einem Feed-Forward-Netzwerk. erklären wie Features für die Klassifikation eingesetzt werden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und verstehen Funktionsweisen und grundlegende Prinzipien der digitalen Welt. erkennen und formulieren algorithmische Strukturen in genutzten digitalen Tools. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren in der Gruppe über informatische Themen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler reflektieren die gewonnen Ergebnisse und Erkenntnisse kritisch. erschließen Probleme und komplexe Themengebiete mithilfe von Gestaltungskompetenzen eigenständig.

In dieser Unterrichtseinheit geht es um die Funktionsweise eines Trojaners und die Sensibilisierung für die Gefährlichkeit dieses Schädlings.Viren, Würmer und Trojaner werden in allen berufsbildenden und teilweise auch allgemein bildenden Schulen im Bereich Informatik oder Wirtschaftsinformatik behandelt. Zum Verständnis sollen im Vorfeld bei den Schülerinnen und Schülern grundlegende Computer-Anwendungskenntnisse sowie Kenntnisse über die Funktionsweise und die Möglichkeiten des Internets vorhanden sein. Diese Lerneinheit geht nicht in die Tiefe, sondern möchte in erster Linie mit Hilfe eines Videos aus dem öffentlich-rechtlichen Fernsehen auf die Gefahren aufmerksam machen und für das Thema sensibilisieren. Zielsetzung Ziel der Lerneinheit ist die Sensibilisierung der Schülerinnen und Schüler für die Gefahr des Computerschädlings Trojaner. Weiterhin werden mögliche Schutzmaßnahmen auch für Privatleute erarbeitet. Technik und Ausstattung Für die Präsentation des Vodcasts im Klassenraum benötigt man einen PC der Lehrkraft mit Beameranschluss und Lautsprecher, sodass das Video gemeinsam im Plenum angeschaut werden kann. Alternativ bietet sich das Abspielen an individuellen Computerarbeitsplätzen an. Auch hier ist ein Breitbandanschluss von Vorteil. Alle Rechner sollten mit Soundkarte und Kopfhörer sowie mit dem Plugin ausgestattet sein. Erarbeitung und Sicherung In der Erarbeitungsphase werden die Fachfragen zu den Inhalten der Sendung beantwortet und ein Informationsflyer zum Schutz vor Trojanern konzipiert. Aktuell bietet sich die thematische Auseinandersetzung mit dem so genannten Bundestrojaner an. Schließlich präsentieren die Schülerinnen und Schüler ihre Ergebnisse und diskutieren über Vor- und Nachteile des Bundestrojaners.Die Schülerinnen und Schüler lernen die Fachbegriffe Trojaner und Computerschädlinge kennen. beschreiben den Infektionsweg eines Trojaners. benennen die Schäden eines Trojaners schätzen sie ab. kennen und beschreiben Schutzmöglichkeiten. schätzen die Bedeutung eines aktuellen Schutzprogramms ein.

Das Material bietet eine Experimentier-Grundlage zum Thema maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz (KI), die browserbasiert arbeitet. Sie kann ergänzt werden durch Lehrmaterial eines offenen Online-Kurses (MOOC). Das "KI-Labor" bietet Möglichkeiten, mit dem eigenen digitalen Endgerät maschinelles Lernen erfahrbar zu machen. Es bietet aktuell die folgenden Lernräume: Handschrifterkennung durch ein neuronales Netz: Es ist sowohl ein vortrainiertes wie auch selbst-trainiertes Modell möglich. Dabei wird ein bekannter, frei verfügbarer Datensatz der Forschung (NIST) verwendet. Objekterkennung mit der Webcam: Auch hier wird ein vortrainiertes Modell mit einem frei verfügbaren Datensatz verwendet. Generierung von künstlichen Bildern als Beispiel für die GAN-Technik bei neuronalen Netzen Tic-Tac-Toe: Einfaches Verstärkungslernen sichtbar machen. Es muss eine KI durch mehrere Spiele selbst trainiert werden, die anschließend perfekt spielt. Somit sind verschiedene Themenbereiche des überwachten Lernens und Verstärkungslernens abgedeckt. Es kann selbstständig mit den Möglichkeiten und Grenzen der jeweiligen Technologien experimentiert werden. Das KI-Labor kann entweder für sich alleine beziehungsweise in Kombination mit einer Unterrichtseinheit verwendet werden oder mit Hilfe der Lehrtexte des kostenlosen MOOCS "Elements of AI" zu einer vollwertigen Selbstlernumgebung ergänzt werden. Zur Ausführung wird lediglich ein moderner Webbrowser benötigt, je nach Hardware-Ausstattung können einige der Beispiele gegebenenfalls etwas länger dauern. Für die Objekterkennung wird darüber hinaus eine Webcam benötigt, auf die die Webseite zugreifen darf. Das KI-Labor eignet sich im Fach Informatik als Einführung in eine Unterrichtseinheit zu maschinellem Lernen (speziell zu neuronalen Netzen), als Ergänzungsangebot für interessierte Schülerinnen und Schüler oder auch als fachlicher Anknüpfungspunkt für eine Einheit in einem anderen Fach, wenn es beispielsweise um ethische oder wirtschaftliche Fragen der KI geht. Das Thema "Künstliche Intelligenz" im Unterricht Künstliche Intelligenz ist an vielen Stellen völlig alltäglich geworden. Meistens sind diese Systeme aber nur Black-Boxen in unserem Alltag und es fällt schwer, mehr über die Funktionsweise herauszufinden. Gleichzeitig sind die Themen, wenn man sie unterrichtlich behandeln möchte, mathematisch zu anspruchsvoll für den Schulunterricht, so dass nur ein oberflächlicher Zugang zur eigentlichen Funktionsweise möglich ist. Genauso ist das Umsetzen von existierender Software in eigenen Programmen zwar im Unterricht möglich, aber nur für leistungsstarke Lerngruppen. Durch das KI-Labor wird eine Möglichkeit geschaffen, mit dieser Software zu interagieren, ohne sie selbst entwickeln zu müssen. Man kann mit Systemen experimentieren und so einen Zugang zu deren Funktionsweisen erhalten, ohne die Funktion im Detail verstehen zu müssen. Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler Schülerinnen und Schüler benötigen kein spezielles Vorwissen, sie können dieses aber – wenn sie es mitbringen – nutzen, um mit einem anderen Blick auf die Beispiele zu schauen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen Abgesehen von der fachlichen und fachdidaktischen Expertise über die informatischen Aspekte des maschinellen Lernens ist nur die Bedienung eines Browsers notwendig. Didaktisch-methodische Analyse Das KI-Labor ist entweder als selbstständige Lernumgebung oder als Ergänzung zu einer Unterrichtseinheit gedacht. Als Einstieg lässt sich mit dem vortrainierten Modell zunächst erleben, dass die Erkennung gut funktioniert, gleichzeitig aber in ihrer Anwendung stark fokussiert ist. Die Spezialisierung ist ein typisches Merkmal moderner KI. Gleichzeitig kann man die statistischen Ausgaben, die typisch für neuronale Netze sind, sehen und so etwas über die Funktionsweise erfahren. Ist bereits Vorwissen vorhanden, beziehungsweise wird das Training von neuronalen Netzen unterrichtlich thematisiert, so können durch das selbst trainierbare Modell verschiedene Parameter untersucht und exploriert werden, beziehungsweise Themen des Unterrichts ganz konkret auf einem realen Datensatz erprobt werden. Ist keine Unterrichtseinheit geplant, so kann durch die entsprechenden Kapitel des MOOCS "Elements of AI" der Hintergrund für interessierte Schülerinnen und Schüler dennoch zugänglich gemacht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren Verfahren des maschinellen Lernens. bewerten, wie und unter welchen Umständen ein Verfahren des maschinellen Lernens zu einer Entscheidung kommt. erklären, wie ein Verstärkungsalgorithmus für die KI eines einfachen Brettspiels funktioniert. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und verstehen Funktionsweisen und grundlegende Prinzipien der digitalen Welt. erkennen und formulieren algorithmische Strukturen in genutzten digitalen Tools. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren über informatische Themen. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler üben sich in kritischem Denken.