Roboter Karl lernt schreiben Lernumgebung für den ... · Josef Beck und Andreas Zendler 12...

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Notes on Educational Informatics — Section B: Classroom experiences 8(1): 11–26, 2013.

© University of Education Ludwigsburg, Institute of Mathematics and Computer Science.

Roboter Karl lernt schreiben – Lernumgebung für den

Informatikunterricht zum Konzept Algorithmus für die

Klassenstufe 6

Josef Beck und Andreas Zendler

University of Education Ludwigsburg

Abstract. Algorithmen und Programmieren gehören zu den Schwerpunktthemen in der Informa-

tik. Die Informatikdidaktik versucht Vorschläge für erste Programmiererfahrungen junger Ler-

nender zu geben um dem zentralen Informatikkonzept Algorithmus Rechnung zu tragen. An die-

ser Stelle wird eine beispielhafte Lernumgebung zum computerfreien Zugang zu Algorithmen für

die Klassenstufe 6 einer Realschule vorgestellt. Inhaltlich im Zentrum steht die kooperative Er-

stellung und handelnde Erprobung von Algorithmen über Prozeduren. Dabei werden einschlägige

Informatikprozesse, wie Analysieren, Generalisieren, Problemlösen oder Entwickeln und Erfin-

den genutzt und als Kompetenzen angebahnt bzw. weiterentwickelt. Als Planungsgrundlage fun-

gierte Teacher´s Blueprint to teach Computer Science Education (TB-2-CSE). Damit wurde an-

gestrebt, Kompetenzorientierung, informatischen Konzepten, Lernaufgaben, Methodik und dem

Themenkreis der Heterogenität in Lerngruppen hinreichend zu genügen.

Keywords: Informatikunterricht, zentrale Konzepte der Informatik, Planungstemplate, Lernauf-

gaben, Heterogenität, Algorithmus.

Contact: [email protected], [email protected]

1. Einleitung

Bei der Planung von Informatikunterricht wird angestrebt, langfristig be-

deutsames Wissen und Kompetenzen herauszubilden. Doch gerade in der In-

formatik werden innerhalb weniger Jahre Wissen und Detailkompetenzen

überholt oder gar obsolet, da der technologische Fortschritt zu viele neue

Möglichkeiten bietet. Deshalb gilt es bei der Planung von Informatikunter-

richt langfristig tragfähiges und bedeutsames Wissen und Können zu vermit-

teln. Nach Bruner (1973) ist die Orientierung an Grundstrukturen der Fach-

wissenschaft bei der Unterrichtsplanung essentiell, da diese langfristige Be-

deutung haben. In der Informatik bieten sich die zentralen Konzepte der In-

formatik nach Zendler, Spannagel und Klaudt (2011) an, um sich an empi-

risch belegten Grundstrukturen der Fachwissenschaft Informatik bei der Pla-

nung zu orientieren. Von zentraler Wichtigkeit für die Disziplin Informatik

wurde dabei das Konzept Algorithmus – neben Konzepten wie System, Da-

ten, Information oder Problem – identifiziert.


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Nachfolgend wird eine Lernumgebung für die Klassenstufe 6 der Realschule

zum Konzept Algorithmus vorgestellt; sie ist für den Anfangsunterricht im

Fach Informatik konzipiert und kommt ohne die Verwendung von Compu-

tern aus.

Erste Programmiererfahrungen sammeln Lernende meist beim Arbeiten in

Einsteigerprogrammierumgebungen (Logo, Java-Hamster, etc.). Dabei sind

das notwendige hohe Maß an Abstraktionsfähigkeit und informationstechni-

sche Grundkenntnisse Barrieren für die Thematisierung im informatischen

Anfangsunterricht. Ziel dieser Lernumgebung ist es, Lernende barrierefrei

erste Programmiererfahrungen zu ermöglichen, indem computerfrei mit Me-

thoden, Sequenzen und Programmen umgegangen wird. Dabei wurde der

Ansatz in den Aufgaben zum Roboter Karl aus Frey, Hubwieser und Win-

hard (2004, S. 78-80) aufgegriffen und zu einer Lernumgebung ausgestaltet.

Programmiergrundlagen und das Durchdringen und Erstellen von Algorith-

men bekommen in der heutigen Informationsgesellschaft immer stärkere Be-

deutung. Die Gesellschaft für Informatik sieht Fähigkeiten im Umgang mit

informatischen Methoden und Werkzeugen als nächste Kulturtechnik neben

dem Lesen, Rechnen und Schreiben (GI, 2006). Fähigkeiten bzgl. des Ana-

lysierens, Generalisierens, Problemlösens und insgesamt des Entwickelns

und Erfindens erscheinen langfristig bedeutsam zur Partizipation an der Ge-

sellschaft.

Die vorliegende Lernumgebung nutzt Teacher´s Blueprint to teach Compu-

ter Science Education (TB-2-CSE) (Zendler, Beck, Fest, Seitz & Klaudt,

2013) als Planungstemplate. Aus Sicht des Informatiklehrers werden auf ak-

tuellen empirischen Forschungsergebnissen zu Konzepten der Informatik

aufbauend Unterrichtsmethodik, Lernaufgaben, Kompetenzorientierung und

Heterogenität bei der Planung berücksichtigt.

2. Die Lernumgebung Roboter Karl lernt schreiben

2.1 Kurzcharakterisierung

Thema: Das Konzept algorithm: Computerfreie Lernumgebung zum Ein-

stieg in die Programmierung.

Inhaltskonzept: algorithm.

Prozesskonzepte: analyzing, problem solving and posing, creating and in-

venting, generalizing.

Curricula/Bildungsplan: In den Bildungsstandards Informatik (GI, 2008)

wird der Inhaltsbereich Algorithmen ausgewiesen. Dabei werden spezifische

Kompetenzen für Lernende der Klassen 5 bis 7 gefordert. Eine Auswahl aus

diesen, ist maßgebend für diese Lernumgebung (vgl. Kompetenzen).

Roboter Karl lernt schreiben

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Klassenstufe: 6 (Anfangsunterricht Informatik).

Kompetenzen: Kompetenzen für den Inhaltsbereich „Algorithmen“ sind in

den Bildungsstandards der GI (2008, S. 31) formuliert.

Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 5 bis 7

lesen und verstehen Handlungsvorschriften für das Arbeiten mit Infor-

matiksystemen,

interpretieren Handlungsvorschriften und führen diese schrittweise aus,

entwerfen Handlungsvorschriften als Text oder mit formalen Darstel-

lungsformen,

entwerfen und testen einfache Algorithmen.

Materialien: Karteikarten, Legofiguren, -platte und -steine (quadratisch),

Kiste für Karteikarten, Arbeitsblätter (differenziert).

Dauer: 135 Minuten.

Name der Autoren: Beck, Josef; Zendler, Andreas.

2.2 Einordnung

Die Lernumgebung wurde unter Bezugnahme auf ähnliche Aufgaben aus

Frey, Hubwieser und Winhard (2004, S. 78-80) und Aufgabenempfehlungen

aus den Bildungsstandards (GI, 2008, S. 32) entwickelt und der Charakter

des Roboters Karl aus den Aufgaben übernommen, um mit dem Buch kon-

form arbeiten zu können.

Nach Ehses (2007) ist ein Algorithmus eine Vorschrift zur Lösung eines

Problems, die für eine Realisierung in Form eines Programms auf einem

Computer geeignet ist. Magenheim et al. (2009) kennzeichnen einen Algo-

rithmus computerunspezifisch als eindeutig, ausführbar, allgemein, endlich

und terminiert.

Die Lernumgebung Roboter Karl lernt schreiben ist geeignet, um Lernenden

einen ersten Zugang zum zentralen Informatikkonzept algorithm zu ermög-

lichen. Handlungsorientiert und computerfrei können erste Algorithmen un-

ter Verwendung von Prozeduren entwickelt und ausgetestet werden – ohne

den unvermeidlichen Grad der Abstraktheit, wie er auch beim Programmie-

ren am PC in Einsteigerprogrammierumgebungen gegeben ist. Der gesamte

Algorithmus sowie die Unterprogramme können handelnd im Ausprobieren

mit dem Material entdeckt werden.

Analog zu den Ergebnissen von Zendler, Spannagel und Klaudt (2011) wer-

den die Lernenden bereits bei dieser Aufgabe im niederstufigen Zugang zum


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Konzept algorithm angeregt, korrespondierende, zentrale Prozesse der Infor-

matik auszuführen und so dem Zusammenhang von Inhaltskonzepten und

Prozesskonzepten der Informatik Rechnung zu tragen.

Besonders bedeutsam für das Konzept algorithm sind die Prozesse ana-

lyzing, problem solving and posing, creating and inventing, und generalizing

(siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Blue Matrix

Durch die Aufgabenstellung werden die Lernenden angeregt, die hochgradig

relevanten Prozesse durchzuführen. Neben der optimalen Passung der Pro-

zesse an das Inhaltskonzept wird auch Kompetenzen aus den Bildungsstan-

dards Informatik Rechnung getragen. Die Lernenden werden angeregt, ana-

log zu den geforderten Kompetenzen Handlungsvorschriften zu entwickeln,

zu interpretieren und schrittweise auszuführen. Dabei entwickeln sie kleine

Algorithmen und testen diese mit den Legomaterialien auf ihre Tragfähig-

keit.

2.3 Lernaufgaben

Teilaufgaben zur Lernumgebung Roboter Karl lernt schreiben sind:

4.01-4.50

3.51-4.00

3.01-3.50

2.51-3.00

2.01-2.50

an

aly

zin

g

ge

ne

raliz

ing

Inhaltskonzepte

fin

din

g r

ela

tio

nsh

ips

cla

ssiy

fin

g

ca

teg

orizin

g

Prozesskonzepte

Skala

1.51-2.00

1.01-1.50

co

mm

un

ica

tin

g

pre

se

ntin

g

co

llab

ora

tin

g

ord

erin

g

0.51-1.00

4.51-5.00

pro

ble

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an

d p

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g

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cre

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g a

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g

qu

estio

nin

g

problem

data

algorithm

information

structure

communication

model

computer

software

program

process

test

language

computation

system


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A Roboter Karl kann leider nicht schreiben. Bringe ihm über als neue

Methoden ausgewiesene Sequenzen bei, seinen Namen zu schrei-

ben! Formuliert dazu den Algorithmus aus und hinterlegt die neuen

Methoden im Methodenkasten.

B Karl möchte viel mehr, als nur seinen Namen schreiben können.

Bringe Karl neue Buchstaben bei!

C Sucht euch einen Buchstaben, den Ihr Karl beigebracht habt aus und

präsentiert die dazugehörige Methode am Material der Klasse!

2.4 Inhaltliche Klärung

Das Konzept algorithm ist grundlegend in seiner Bedeutung für die Informa-

tik. Daher lohnt es, Kinder bereits frühzeitig und mit Beginn von Informa-

tikunterricht an diesem Konzept arbeiten zu lassen. Die Lernumgebung Ro-

boter Karl lernt schreiben ermöglicht computerfreies und materialunter-

stütztes Entwickeln eines Algorithmus zum Ausgangsproblem unter Nut-

zung von Prozeduren. Die Lernenden arbeiten stark handlungsorientiert und

in Kleingruppen.

Ziel der Lernumgebung ist es, Lernende anzuregen, sich dem Konzept algo-

rithm computerfrei zu nähern und ihr Verständnis durch handlungsorientier-

ten Umgang zu erhöhen. Programmieren, auch in Umgebungen für Anfänger

(z.B. Logo, Java-Hamster, u.a.), ist ein Akt, der Abstraktionsfähigkeit benö-

tigt. Die Lernenden müssen oft ihre Problemlösungen gedanklich erstellen,

dann in Code schreiben und sehen erst im Nachgang, ob der Algorithmus

funktioniert. Gerade ganz zu Beginn des Programmierens erscheint es daher

hilfreich, zunächst die Abläufe und Grundstrukturen materialgestützt zu er-

arbeiten. Die schrittweise Abstraktion kann dann im Anschluss in Einstei-

gerprogrammierumgebungen erfolgen. Dabei werden zentrale informatische

Prozesse bei den Lernenden intendiert.

Die Lernumgebung gliedert sich in drei Teilaufgaben (vgl. 2.3 Aufgaben).

In Teilaufgabe A wird das Grundproblem thematisiert. In Teilaufgabe B wird

von der spezialisierten Problemstellung in Teilaufgabe A generalisiert. Teil-

aufgabe C ermöglicht eine Präsentation der Ergebnisse der Gruppen im Ple-

num, sodass die Ergebnisse wertgeschätzt werden können sowie ggf. Rück-

meldung zur Verbesserung erfolgen kann. Die zentralen Informatikprozesse

(Costa & Liebmann, 1997; Zendler, Spannagel und Klaudt, 2011) spielen bei

den Teilaufgaben A und B eine wichtige Rolle. Durch das Zerlegen des Prob-

lems „Schreiben des Wortes Karl“ in einzelne Buchstaben und dem Erfinden


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von Prozeduren für die Buchstaben wird den Prozessen analyzing und crea-

ting and inventing entsprochen. Im Sinne des Prozesses problem solving and

posing bahnt die problemorientierte Aufgabenstellung zusammen mit dem

Präsentieren der Ergebnisse am Ende den algorithmischen Lösungsprozess

zu einem Problem als grundlegende Arbeitsweise bei den Lernenden an.

Über die weiterführende Aufgabenstellung in Teilaufgabe B erhalten die

Lernenden die Möglichkeit, die Lösungswege aus Teilaufgabe A weiterzu-

führen und auf das Hauptproblem „Schreiben“ zu generalisieren und damit

erste Erfahrungen mit Blick auf den Informatikprozess generalizing zu sam-

meln. Das kooperative, handlungsorientierte Arbeiten motiviert, sich auf die

Thematik einzulassen.

2.5 Wie kann man vorgehen?

Voraussetzungen

Die Lernenden sollten bereits eine einfache Aufgabe mit Roboter Karl durch-

laufen haben, um das Prozedere und Karls Methoden-Repertoire zu kennen.

Anregungen finden sich z.B. bei Frey, Hubwieser und Winhard (2004, S.

78). Als bekannte Methoden sind Folgende sieben vorgeschlagen (Tabelle

1).

Tabelle 1. Methoden des Robotors

Sieben Methoden von Roboter Karl (Frey, Hubwieser und Winhard,

2004, S. 78)

VorwärtsGehen Karl bewegt sich einen Schritt vor.

LinksDrehen Karl dreht sich um 90° nach links.

RechtsDrehen Karl dreht sich um 90° nach rechts.

ZiegelHinlegen Karl legt einen Ziegel/Legostein ab.

ZiegelAufheben Karl hebt den auf dem Feld liegenden Ziegel

auf.

MarkeSetzen Karl markiert das Feld/den Ziegel, auf dem er

steht.

MarkeLöschen Karl löscht die Markierung, auf der er gerade

steht.

Teilaufgabe A

Im Plenum mit der gesamten Lerngruppe wird das Grundproblem vorgestellt

– Die Figur des Roboters Karl ist den Lernenden bereits bekannt, ggf. wird

er als kleine Spielfigur (z.B. Lego) präsentiert, um die Lernenden zum Ver-

balisieren von Vorwissen (z.B. zu bereits bekannten Methoden) anzuregen.


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Roboter Karl möchte seinen Namen schreiben, hat aber nur seine ihm be-

kannten sieben Methoden. Die Lernenden erhalten einen Text, in dem sie

erfahren, wie Karl neue Methoden lernen kann (siehe Anhang 5.1). Nach

dem Erlesen des Textes und ggf. Nachfragen der Lernenden erhalten sie den

Auftrag, Methoden zu beschreiben, damit Karl seinen Namen schreiben kann

und diese im Methodenkasten (z.B. kleiner Karteikasten) zu hinterlegen. Um

die Aufgabe möglichst konkret und handlungsorientiert angehen zu können,

darf dabei auf Material (z.B. Lego-Karl, Lego-Ziegel, Grundplatte) zurück-

gegriffen werden. Damit der Arbeitsprozess strukturierter ablaufen kann, er-

halten die Lernenden ein begleitendes Arbeitsblatt mit Teilfragen und Platz

zur schriftlichen Fixierung des Algorithmus.

Teilaufgabe B

Im Anschluss an die Einführung werden die Lernenden in leistungsdifferen-

zierte Gruppen eingeteilt, die Teilaufgabe B an die Gruppen gestellt und die

Materialien (Legomaterial, Karteibox, Karteikarten, Arbeitsblätter) ausgege-

ben. Die Lehrperson unterstützt die Gruppe der schwachen Lernenden durch

Anregungen und Hilfestellungen beim Problemlöseprozess direkt an der

Tischgruppe als aktiver Teilnehmer im Sinne der Differenzierung. Mittlere

und starke Lerngruppen arbeiten alleine mit unterschiedlich komplexen Auf-

gabenstellungen. Ziel am Ende der Aufgabe ist es, Karl in die Lage zu ver-

setzen, alle Wörter schreiben zu können.

Um die Menge an Buchstaben zu begrenzen und gleichzeitig quantitativ zu

differenzieren, werden die Buchstaben des Alphabetes aufgeteilt. Bei bei-

spielsweise vier leistungsdifferenzierten Gruppen erhalten die schwachen

Lernenden mit der Lehrperson die Aufgabe, zwei weitere Buchstaben zu fin-

den. Die beiden durchschnittlichen Gruppen erhalten jeweils sechs weitere,

noch fehlende Buchstaben und die starken Lernenden bilden die restlichen

acht fehlenden Buchstaben und ggf. bei Zeitüberschuss die Umlaute in Pro-

zeduren ab. Am Ende können die Gruppenergebnisse in einen gemeinsamen

Methodenkasten für Karl gebracht werden, so dass alle 26 Buchstaben des

Alphabetes und ggf. Umlaute als Prozeduren bzw. Methoden für Karl ver-

fügbar sind: Er kann schreiben.

Teilaufgabe C

Um die Ergebnisse der Lernenden gleichermaßen wertzuschätzen, präsen-

tiert jede Gruppe eine gefundene Prozedur dem Plenum und zeigt den Ablauf

am Material. Um Lernenden die neue Fähigkeit Karls zu demonstrieren, kön-

nen abschließend, je nach Zeitbudget, verschiedene Wörter durch Karl ge-

schrieben werden. Diese Phase zeigt den Lernenden zudem sehr anschaulich,

was beim Durchlauf eines Algorithmus von Karl geleistet wird. Das Abar-

beiten des Hauptalgorithmus, sowie das Aufrufen der Unterprogramme wer-

den handelnd erfahrbar und beobachtbar.


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2.6 Dokumente aus der Erprobung

Insgesamt verliefen Erprobungen vielversprechend. Die Lernenden gingen

motiviert an die Aufgabenstellungen und brachten im Anschluss großes In-

teresse für Einsteigerprogrammierumgebungen zum Ausdruck. Interessan-

terweise haben alle Lernenden in unterschiedlicher Form angemerkt, dass

eine Bearbeitung der Aufgaben mit dem Computer doch viel einfacher wäre,

da sie „Kopieren und Einfügen“ nutzen könnten. Dieser unbeabsichtigte

Frust über die viele Schreibarbeit bietet Motivation für die anschließende

Auseinandersetzung mit Einsteigerprogrammierumgebungen.

Das Material eignete sich gut, um den Arbeitsprozess zu unterstützen. Le-

diglich ein gewisser Geräuschpegel ist durch das Klopfen der Legofiguren,

dem Stecken der Steine und den notwendigen Diskussionen an den Grup-

pentischen für die Planung zu berücksichtigen.

Einfaches Beispiel

Die differenzierte Aufgabenstellung erlaubte es, allen Gruppen Erfolgserleb-

nisse beim Generieren von kleinen Algorithmen zu ermöglichen. Auch Ler-

nende aus der Gruppe der Schwachen konnten so Methoden für den Metho-

denkasten mit allen Buchstaben des Alphabets beisteuern. Nachfolgend steht

eine Lösung zum Buchstaben I einer schwachen Gruppe. Am Ende der Lö-

sung fehlt das Weiterhüpfen von Karl zum Startpunkt eines Folgebuchsta-

bens. Die Lernenden wurden während der Erprobung durch die betreuende

Lehrperson darauf aufmerksam gemacht und realisierten das Weiterhüpfen

schließlich als eigene Methode.

Methode ISchreiben

ZiegelHinlegen

VorwärtsGehen

ZiegelHinlegen

VorwärtsGehen

ZiegelHinlegen

VorwärtsGehen

ZiegelHinlegen

VorwärtsGehen

ZiegelHinlegen

RückwärtsGehen

RückwärtsGehen

RückwärtsGehen

RückwärtsGehen

Ende


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Mittleres Beispiel

Lernende aus den normalstarken Gruppen haben teilweise den Algorithmus

mit Leerzeilen auf der Karteikarte unterteilt, um „nicht durcheinander zu

kommen“. Vermeintlich unbewusst wurden demnach die Buchstaben in

Teilprobleme anhand von sinnvollen Einteilungen zerlegt.

Anspruchsvolles Beispiel

Die Ergebnisse der starken Lerngruppe in der Erprobung waren überra-

schend. Bei einzelnen Buchstaben, wie beispielsweise dem W, nutzten die

Lernenden das Element der Wiederholung in ihrem Algorithmus, ohne dass

dies thematisiert worden wäre, um die bei den ersten Buchstaben erfahrene

Schreiblast bei der Menge an Buchstaben zu reduzieren. Ihre Idee präsen-

tierten Sie im Anschluss dem Plenum.

2.7 Zur Heterogenität

Um dem heterogenen Leistungsniveau in der Lerngruppe zu entsprechen, ist

eine Differenzierung in zweifacher Weise angezeigt.

Äußerlich empfiehlt es sich, die Lernenden in leistungshomogenere Klein-

gruppen aufzuteilen. Das Zusammenarbeiten der Lernenden wird so erleich-

tert. Die starken Lernenden treiben sich gegenseitig an und kommen so zu

stärkeren Ergebnissen, da sie vielfältige Impulse in der Gruppe erfahren. Die


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Gruppe mit schwachen Lernenden kann direkt durch die Lehrperson unter-

stützt werden, wodurch ein Erreichen der Mindestanforderungen besser ge-

währleistet ist.

Innerhalb der Aufgabenstellungen ergeben sich ebenfalls Möglichkeiten zur

Differenzierung nach Leistungsniveau. Gerade die schwachen Lernenden

können ggf. schwierige Teilaufgaben auslassen. Dies liegt im Ermessen der

Lehrperson. Während der direkten Arbeit mit den Schwachen reduziert sie

situationsangemessen. Die starken Lernenden wiederum differenzieren ihre

Aufgabenbearbeitung durch die ergebnisoffene Konzeption selbst anhand

der Komplexität ihrer Datenerhebung und Ausdifferenzierung der Kategori-

enfindung.

2.8 Arbeitsblätter

Für die Lernumgebung sind mehrere Arbeitsblätter sinnvoll. Es bedarf eines

einführenden Textes für Teilaufgabe A, sowie differenzierter Arbeitsblätter

für Teilaufgabe B. Vorschläge finden sich im Anhang.

Arbeitsblatt 1 – Grundlagentext

Der Text ist aus Frey, Hubwieser und Winhard (2004, S. 78-79) entnommen

und gekürzt und leicht abgeändert worden.

Arbeitsblatt 2 – Teilaufgabe A

Dieses Blatt erhalten alle Lernenden in den Gruppen. Durch das Feld für den

eigenen Algorithmus wird das Ergebnis fixiert.

Arbeitsblatt 3abcd – Teilaufgabe B

Arbeitsblatt 3 erhalten die Lernenden differenziert nach Leistungsgruppen.

Arbeitsblatt 3a ist für die schwachen Lernenden konzipiert und bietet redu-

zierte Anforderung an Quantität und mehr Hinweise. Zudem unterstützt die

Lehrperson die Lernenden während der Arbeitsphase. Arbeitsblatt 3d ist auf

starke Lernende ausgerichtet und fordert sie durch umfangreiche Anforde-

rungen stärker heraus.

2.9 Literatur

Costa, A. L. & Liebmann, R. M. (Eds.) (1997). Envisioning process as content. Toward

a renaissance curriculum. Thousand Oaks, CA: Corwin Press.

Ehses, E. (2007). Algorithmen und Datenstrukturen. In U. Schneider, & D. Werner (Eds.),

Taschenbuch der Informatik (S. 173–196). München: Fachbuchverlag Leipzig im

Carl-Hanser-Verlag.

Frey, E., Hubwieser, P., & Winhard, F. (2004). Informatik 1. Stuttgart: Klett.


21

Gesellschaft für Informatik (GI) e.V. (2008). Grundsätze und Standards für die Informa-

tik in der Schule: Bildungsstandards Informatik für die Sekundarstufe I. Retrieved

March 16, 2014, from http://www .sn.schule.de/~istandard/docs/bildungsstan-

dards_2008.pdf.

Magenheim, J., Dohmen, M., Lehner, L., Reinhardt, W., Stahl, K., & Süß, T. (2009).

Informatik macchiato: Cartoon-Informatikkurs für Schüler und Studenten. Mün-

chen: Pearson Studium.

Zendler, A., Spannagel, C., & Klaudt, D. (2011). Marrying Content and Process in Com-

puter Science Education. IEEE Transactions on Education, 54(3), 387–397.

3. Diskussion

Aufgrund der Bedeutung für die Informatik stellen Algorithmen und das Pro-

grammieren einen wesentlichen Baustein von Informatikunterricht dar. In

der Informatikdidaktik wurde dies empirisch als sinnvoll belegt (Zendler,

Spannagel, & Klaudt, 2011). Für junge Lernende ist der Einstieg in diese

Thematik oft nicht einfach, da Abstraktionsfähigkeit und informationstech-

nische Grundkenntnisse notwendig sind. Die Stärke der vorliegenden Ler-

numgebung liegt gerade deshalb im ohne Computer möglichen und durch

Material sehr anschaulichen Zugang zu grundlegenden Aspekten der Pro-

grammierung. Durch die Anlehnung an Frey, Hubwieser und Winhard

(2004) kann zudem ein nahezu nahtloser Anschluss durch weitere Lernum-

gebungen erfolgen, die dann den Computer mit einbeziehen. Eine passende

Programmierumgebung mit der bekannten Rahmenfigur des Roboters wäre

beispielsweise die Umgebung Robot Karol (Freiberger, 2013).

Informatische Inhaltskonzepte sind immer im Kontext der relevanten Pro-

zesse zu betrachten (Zendler, Spannagel, & Klaudt, 2011). Anhand der vor-

gestellten Lernaufgaben (Leisen, 2010) werden die Lernenden zur Nutzung

der für algorithm wichtigen Prozesskonzepte analyzing, generalizing, prob-

lem solving and posing, und creating and inventing angeregt, so dass diese

im Sinne von kompetenzorientiertem Unterricht (Friedrich & Puhlmann,

2008) angewendet und dadurch weiter ausdifferenziert werden können. Der

Heterogenität im Klassenzimmer (Klippert, 2012) wurde durch die differen-

zierte Arbeit in Kleingruppen entsprochen.

Die vorgestellte Lernumgebung ist als Vorschlag an die Praxis für kompe-

tenzorientierten und fachwissenschaftlich fundierten informatischen An-

fangsunterricht zu verstehen. Die Detailangaben und methodischen Vor-

schläge sind nicht als bindend zu verstehen und sollen Informatiklehrer nicht

in der eigenen Kreativität einengen. Es gilt stets, die Lernumgebung an die

jeweiligen örtlichen Gegebenheiten anzupassen. Die Lernumgebung bietet

nur eine mögliche Realisierung an. Jede Schulklasse muss individuell be-

trachtet und die Inhalte und Aufgaben dementsprechend angepasst werden.


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4. Literatur

Bruner, J. S. (1973). Der Prozeß der Erziehung (3. durchgesehene Auflage). Berlin, Düs-

seldorf: Berlin-Verlag, Pädagogischer Verlag Schwann.

Freiberger, U. (2013). Robot Karol Deutsch. Retrieved August 27, 2014, from

http://www.schule.bayern.de/karol/download.htm.

Frey, E., Hubwieser, P., & Winhard, F. (2004). Informatik 1. Stuttgart: Klett.

Friedrich, S., & Puhlmann, H. (2008). Von informatischen Kompetenzen zu Aufgaben

im Informatikunterricht. LOG IN, 154, 11–15.

Gesellschaft für Informatik (GI) e.V. (2006). Was ist Informatik?. Retrieved August 27,

2014, from https://www.gi.de/fileadmin/redaktion/Download/was-ist-informatik-

kurz.pdf.

Klippert H. (2012). Heterogenität im Klassenzimmer. Weinheim: Beltz.

Leisen. 2010. Lernaufgaben als Lernumgebung zur Steuerung von Lernprozessen. In H.

Kiper, W. Meints, S. Peters, S. Schlump, & S. Schmit (Eds.), Lernaufgaben und

Lernmaterialien im kompetenzorientierten Unterricht (S. 60–67). Stuttgart: Kohl-

hammer

Zendler, A., Spannagel, C., & Klaudt, D. (2011). Marrying content and process in com-

puter science education. IEEE Transactions on Education, 54(3), 387–397.

Zendler, A., Beck, J., Fest, A., Seitz, C., & Klaudt, D. (2013). Teacher’s Blueprint to

teach Computer Science Education (TB-2-CSE): Planungstemplate für Informat-

iklehrer. Notes on Educational Informatics - Section B: Classroom Experiences,

8(1), 1–10.


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5. Anhang

5.1 Informationstext zur Teilaufgabe A

Roboter Karl lernt schreiben Fach: Informatik Name:

Arbeitsblatt 1 – Teilaufgabe A Datum:

KARL – KURZ UND KNAPP!

Karl ist ein Roboter. Er bewegt sich in einem Raum mit rechteckiger Grundfläche. Er kann

Ziegel ablegen und aufheben. Die Grundfläche ist in Felder eingeteilt, in die genau ein Ziegel

passt. Ein Schritt von Karl reicht ein Feld weit! Karl kennt folgende Methoden:

VorwärtsGehen Karl geht einen Schritt vor und klettert ggf. auf einen liegenden Ziegel. LinksDrehen Karl dreht sich in seiner Blickrichtung um 90° nach links. RechtsDrehen Karl dreht sich in seiner Blickrichtung um 90° nach rechts. ZiegelHinle-

gen

Karl legt einen Ziegel vor sich hin.

ZiegelAufhe-

ben

Karl hebt den vor ihm liegenden Ziegel auf.

KARL KANN NEUE METHODEN LERNEN!

Wenn man jemandem einen Vorgang beschreiben möchte, sagt man üblicherweise, was im

Einzelnen nacheinander zu tun ist. Die Formulierung der Einzelschritte muss dabei eindeutig

und nachvollziehbar sein. Eine solche endliche Folge aus elementaren, eindeutigen und aus-

führbaren Anweisungen heißt Algorithmus. Zu jeder Methode eines Objektes gibt es einen

Algorithmus, der sie beschreibt!

Beispiel: Karl hat noch keine Methode, um rückwärts zu gehen. Ein kleiner Algorithmus, eine

Abfolge von Methodenaufrufen, beschreibt die Methode folgendermaßen. LinksDrehen

LinksDrehen

VorwärtsGehen

LinksDrehen

LinksDrehen

Eine Folge von Anweisungen bzw. Methodenaufrufen, die in angegebener Reihenfolge auszu-

führen sind, heißt Sequenz. Mit Hilfe einer Sequenz kann man neue Methoden beschreiben.

Das geht so!

Methode und Ende sind als

Schlüsselwörter festgelegt und

rahmen die Sequenz ein!

Methode ZurückGehen

LinksDrehen

LinksDrehen

VorwärtsGehen

Jede Sequenz braucht einen

Bezeichner, der frei wählbar

ist. Hier ist es

ZurückGehen!


24

LinksDrehen

LinksDrehen

Ende

Jetzt kann Karl rückwärts gehen! Die Methode ist in seinem Methodenkasten abgelegt worden.

Du kannst Karl neue Methoden nach dem gleichen Schema beibringen und in seinen Metho-

denkasten ablegen.

Methode Bezeichner

Sequenz

Ende


25

5.2 Arbeitsblätter 2 und 3


Arbeitsblatt 2 – Teilaufgabe A Datum:

TEILAUFGABE A: KARL MÖCHTE SEINEN NAMEN SCHREIBEN KÖNNEN!

Bringt Karl neue Methoden bei, so dass er künftig seinen Namen schreiben kann, in dem er

Ziegel im Raum ablegt. Legt die neuen Methoden auf einer Karteikarte im Methodenkasten ab.

Versucht Methoden zu finden, die Karl vielleicht später für weitere Schreibwünsche heran-

ziehen kann.

Formuliert den Algorithmus für das Schreiben des Namens aus!

Unser Algorithmus KarlSchreiben


Arbeitsblatt 3a – Teilaufgabe B

Datum:

TEILAUFGABE B: KARL WILL MEHR ALS NUR SEINEN NAMEN SCHREIBEN!

Karl kann nun bereits vier neue Methoden ausführen, um die Buchstaben seines Namens zu

schreiben. Er möchte nun alle 26 Buchstaben als Methoden verfügbar haben! Puhhh – ganz


26

schön viel, oder? Am besten teilen wir die Arbeit auf! Erstellt in eurer Gruppe die Methoden

für die Buchstaben I und U. Hinterlegt die Methoden auf Karteikarten! Am Ende fügen wir alle

Methoden aller Gruppen in einen großen Methodenkasten zusammen!

Als Hilfe könnt Ihr Euch nochmals die Methoden für die Buchstaben K, A, R, und L ansehen.


Arbeitsblatt 3b – Teilaufgabe B Datum:





für die Buchstaben B, C, D, E, F und G. Hinterlegt die Methoden auf Karteikarten! Am Ende

fügen wir alle Methoden aller Gruppen in einen großen Methodenkasten zusammen!

Als Hilfe könnt Ihr Euch nochmals die Methoden für die Buchstaben K, A, R, und L ansehen.


Arbeitsblatt 3c – Teilaufgabe B Datum:




schön viel, oder? Am besten teilen wir die Arbeit auf! Erstellt in wurer Gruppe die Methoden

für die Buchstaben H, I, J, M, N und O. Hinterlegt die Methoden auf Karteikarten! Am Ende

fügen wir alle Methoden aller Gruppen in einen großen Methodenkasten zusammen!

Als Hilfe könnt ihr Euch nochmals die Methoden für die Buchstaben K, A, R, und L ansehen.


Arbeitsblatt 3d – Teilaufgabe B Datum:





für die Buchstaben P, Q, S, T, U, V, W, X, Y und Z. Hinterlegt die Methoden auf Karteikarten!

Am Ende fügen wir alle Methoden aller Gruppen in einen großen Methodenkasten zusammen!

Falls Ihr am Ende noch Zeit übrig habt, oder wenn Ihr zu Hause noch weiter arbeiten wollt, so

findet Methoden für die Umlaute Ä, Ü, ß und Ö!

Roboter Karl lernt schreiben Lernumgebung für den ... · Josef Beck und Andreas Zendler 12...

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