Informatiksysteme I

Worum geht es?

Wir sind umgeben von vielfältigen und komplexen IT-Systemen. An exemplarischen Fragestellungen schauen wir uns Informatiksysteme an: Wie funktioniert eigentlich das Internet? Was ist eine Cloud oder wo liegen meine Daten? Wieviel sind 64GB und wie schnell ist mein Computer?

Was lernen Sie?

• Sie kennen die wichtigsten Bestandteile und Funktionen von Computern und Netzwerken
• Sie kennen Leistungsdaten der Informatik und können sie einordnen
• Sie haben konkrete Ideen, wie sie diese Inhalte an Schülerinnen und Schüler vermitteln können
• Sie erkennen, dass gewisse mathematische Probleme schon bei relativ wenig Elementen die Leistungsfähigkeit aller Computer der Welt weit übersteigen

Die Themen dieser Lektion sind durchaus abstrakt und es stellt sich schnell die Frage, wie man diese mit Schülerinnen und Schülern thematisieren kann. Wir haben Ihnen deshalb in Moodle zwei kurze Auszüge aus dem Lehrmittel Connected Band 1 und 2 (Klasse 5/6) vom Lehrmittelverlag Zürich zusammengestellt, Mit diesem Lehrmittel werden Sie eventuell später in Ihrer Schule arbeiten. Für die folgenden Themen werden nach kurzen Inputs jeweils konkrete Aufgaben im Lehrmittel angegeben, die Sie bitte lösen sollen. Da Sie vielleicht direkt in den PDFs arbeiten oder diese ausdrucken werden, müssen Sie Ihre Lösungen nicht in Moodle abgeben. Schreiben Sie in das Abgabefeld in diesem Fall einfach "auf Papier" oder etwas ähnliches Hinwein, damit wir sehen, dass sie die Aufgaben bearbeitet haben (Präsenz). Wir werden nächste Woche entsprechende Musterlösungen veröffentlichen.

Thema 1: Speicherarten und Speichergrössen

Informatiksysteme bestehen aus unterschiedlichen Bauteilen, wie Sie es schon in einer früheren Veranstaltung am Beispiel Smartphone-Theater in der Broschüre "Informatik ohne Strom" gesehen haben. Diese Bauteile haben unterschiedliche Kenngrössen etwa zu ihrer Leistungsfähigkeit. So kann für einen Prozessor die Taktgeschwindigkeit in Gigaherz (GHz) angegeben werden, wie viele Berechungsoperationen pro Sekunden angestossen werden können oder der Datendurchsatz einer Netzwerkkarte in Mbit/s oder Gbit/s.

Für Schülerinnen und Schüler auf Ihrer Zielstufe ist ein wichtiges Thema der Speicherplatz, der in ihren Geräten verfügbar ist oder wie gross die Datenmengen sind, wenn etwa ein Video über das Internet verschickt werden soll. Das hat ganz praktische Bedeutung, wenn man etwa eine grosse PowerPoint-Präsentation per Email an die Lehrperson versenden möchte.

Um eine Vorstellung von Speichergrössen zu entwickeln, haben wir in der Broschüre Informatik ohne Strom bereits ein Legespiel thematisiert (Speichergrössen). Schauen Sie in das Lehrmittel und lösen Sie die folgenden Aufträge, um einen Eindruck aus der Praxis zu bekommen.

Connected Band 1 - Seite 96-98:

• Probieren Sie diese Übung selbst mit einem Buch aus und schauen Sie sich den Speicherplatz von Ihrem eigenen Smartphone an.

Connected Band 2 - Seite 14:

• Tragen Sie ein, welche Speichermengen Ihre Geräte zuhause haben.
• Recherchieren Sie in einem Prospekt oder einem online Shop, was aktuelle Geräte dazu im Vergleich anbieten.

Thema 2: Backup & Synchronisation

Daten können auch verloren gehen. Schülerinnen und Schüler in der Volksschule sollen deshalb auch etwas über die Möglichkeit lernen, wie sie sich selbst vor Datenverlusten schützen können.

• Schauen Sie sich dazu die Folien zum Thema Datenverlust an: Cloud: Datenverlust, Backup, Synchronisation
• Lesen Sie den Artikel Was ist eine Cloud?
• Wie organisieren Sie selbst Backups auf Ihrem persönlichen Arbeitsgerät? Tauschen Sie sich falls gerade möglich mit anderen Studierenden aus.
• Erforschen Sie anhand einiger Beispiele das Internet-Backup auf archive.org

Thema 3: Betriebssystem / Abstraktion

Informatiksysteme bestehen nicht nur aus Hardware-Bauteilen. Auch die Computerprogramme (Software) spielt eine wesentliche Rolle. Dabei lassen sich zwei grundlegend verschiedene Arten von Software unterscheiden - Anwendungssoftware und Betriebssysteme.

Schauen Sie sich die vertonten Folien zum Thema an: Betriebssystem

Connected Band 2 - Seite 13:

• Verbreitete Betriebssysteme im Internet recherchieren
• Welche Betriebssysteme verwenden Sie auf Ihrem Computer, Smartphone ...

(Hinweis: Sie haben diese Frage bereits in einer Umfrage am Anfang des Semesters beantwortet – jedoch teilweise mit Antworten, die keine Betriebssysteme sind – z.B. Apple und Google sind keine Betriebssysteme).

Thema 4: Das Konzept der Schnittstelle

Das Prinzip der Schichten, welches Sie beim Thema Betriebssysteme gehört haben, kann man noch allgemeiner fassen. Es ist ein so zentrales Prinzip in der Informatik, dass wohl nur dadurch heute Computer eine so starke Verbreitung finden konnten. In den Anfangszeiten war noch jeder Computer und jedes Netzwerk ein Unikat und auch Software wurde speziell für eine ganz bestimmte Hardware geschrieben.

Schauen Sie sich die vertonten Folien zum Thema an: Abstraktion - Modularisierung - Schnittstelle

Thema 5: Zunehmende Leistungsfähigkeit von Computern

Ein Grund für die massiv gestiegende Bedeutung von Computern in unserem Alltag ist ihre stetig zunehmende Leistungsfähigkeit. In heutiges Smartphone ist schneller als ein Grossraumcomputer vor 50 Jahren.

Connected Band 2 - Seite 18:

• Rechnen Sie das Beispiel zum exponentiellen Wachstum mit dem Koch und geschälten Karotten aus.
• Überlegen Sie sich eine Antwort auf die gestellte Diskussionsfrage zu Moores-Gesetz

Thema 6: Berechenbarkeit

Zum Schluss wird es wieder etwas philosophischer. Informatik beschäftigt sich auch mit der Frage, was über von einem Computer berechnet werden kann und was nicht. Dieser Bereich der sogenannten „theoretischen Informatik“ nennt sich Berechenbarkeitstheorie.

Auch wenn Computer jedes Jahr schneller werden gibt es Probleme, die auch mit vielfach leistungsstärkeren Computern nicht in einer praktisch relevanten Zeit berechnet werden können. Ein Beispiel dafür wäre etwa die Erstellung eines Stundenplans alle Fächer für das eigene Schulhaus. Kombinatorisch ergeben sich so schnell so viele mögliche Zusammenstellungen, dass auch ein Computer, der pro Sekunde Millionen von Möglichen Stundenplänen durchprobieren kann, viele Jahre oder Jahrtausende Zeit benötigen würde, um tatsächlich alle Varianten durchzuprobieren und die optimale Lösung zu finden.

Ein Alltagsbeispiel für diese Art von Problemen können Sie sich in dieser 10 Minuten Präsentation eines Informatikers anschauen:

Darüber hinaus gibt es auch noch Problemstellungen, die gar nicht von einem Computer berechnet werden können. Ein bekanntes Beispiel ist das sogenannte „Halteproblem“. Die Aufgabe besteht darin ein Computerprogramm zu entwickeln, welches ein beliebig anderes Computerprogramm nimmt und überprüft, ob dieses unter bestimmten Eingaben zu einem Ergebnis kommen wird (also anhalten wird) oder nicht. Man kann nun mathematisch nachweisen, dass es ein solches Programm nicht geben kann. Das klingt sehr theoretisch – wenn es uns jedoch praktisch gelingen würde ein solches Prüfprogramm zu bauen, könnte man Softwarefehler vermeiden und Computer müssten nicht mehr abstürzen, da man vorher testen könnte, ob ein Programm in eine Endlosschleife geraten wird oder nicht.

Ablauf, wie er ohne Fernlehre in etwa stattgefunden hätte

Zeit1	Zeit2	Dauer	Beschreibung	Sozialform	Hilfsmittel
08:15	10:10	10	Grenzen des Computers	Parnterarbeit	Hexenpuzzle	edit
08:25	10:20	10	Leistungseinheiten der Informatik, Speicherplatz	Gruppenarbeit	Umschläge	edit
08:35	10:30	5	Speicherarten	Plenum	-	edit
08:40	10:35	10	Wie können Daten verloren gehen	Plenum	-	edit
08:50	10:45	5	Backup, Synchronisation und Speicherarten	Plenum	-	edit
08:55	10:50	5	Das Backup des Internets	Partnerarbeit	Way-Back-Machine	edit
09:00	10:55	5	Pause			edit
09:05	11:00	5	Betriebsystem und Anwendungssoftware	Plenum	-	edit
09:10	11:05	10	Abstraktion - Modularisierung - Schnittstelle	Plenum	-	edit
09:20	11:15	30	Beratung und Unterstützung Semesterprojekt	Individuell	-	edit
09:50	11:45	Ende				edit