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Unterrichtsidee

Intelligente Codes unplugged

Die Funktionsweise von Intelligenten Codes für Schülerinnen und Schüler nachvollziehbar dargestellt

Beschreibung

«Computerscience Unplugged» beschreibt ein Vorgehen in der Informatikdidaktik, bei welchem Grundlagen der Informatik auf spielerische-handelnde Weise und ohne Computereinsatz vermittelt werden. Die hier vorgestellte Unterrichtseinheit stellt einen verblüffenden «Zaubertrick» an den Anfang, um mit seiner Auflösung dem Prinzip hinter fehlerentdeckenden Codes auf die Spur zu kommen.

Daten werden auf dem Computer in eine Folge von Bits, bestehend aus verschiedenen Kombinationen von «0» und «1», codiert. Bei der Daten-Speicherung und Übertragung können sich einzelne Fehler ereignen, sogenannte «bit flips», die allerdings mithilfe von intelligenten Codes entweder entdeckt oder sogar behoben werden können.

Diese Art der Fehlerentdeckung- respektive Korrektur kann mit dem folgenden Zaubertrick erklärt werden: Die Schülerinnen und Schüler werden von der Lehrperson aufgefordert 16 schwarz-weisse Kärtchen in einer 4x4-Matrix hinzulegen und dabei eine möglichst unregelmässige schwarz-weiss Verteilung zu erreichen (siehe Abb. 1). Die Lehrperson studiert die aktuelle Verteilung und gibt vor, die Ausgangslage noch schwieriger machen zu wollen und ergänzt jeweils noch eine Zeile und eine Spalte, es entsteht eine 5x5-Matrix (siehe Abb. 2). Die Schülerinnen und Schüler werden aufgefordert, ein Kärtchen zu drehen und auf diese Weise einen Fehler einzubauen (siehe Abb. 3). Die Lehrperson muss während dem Drehen des Kärtchens wegsehen, aber findet anschliessend die veränderte Stelle sofort. Erraten die Schülerinnen und Schüler den Trick nicht, so wird dieser einige Male wiederholt.

Erklärung für die Lehrperson:

Mit den beiden ergänzenden Reihen sorgt die Lehrperson dafür, dass in jeder Zeile und in jeder Spalte eine gerade Anzahl schwarzer Kärtchen liegt. Wenn also in einer Zeile drei schwarze und eine weisse liegen, muss die ergänzende Karte schwarz sein (siehe Abb.2). Drehen die Schülerinnen und Schüler nun eine Karte um, ist die Anzahl der schwarzen Karten nicht mehr gerade und die Lehrperson weiss auf einen Blick, welche Karte verändert wurde (Abb. 4).

Hintergrundwissen für die Lehrperson:

Dieser Zaubertrick zeigt die Funktionsweise von intelligenten Codes auf: Die ursprüngliche Bitfolge wird mit einem weiteren Bit (= das Paritätsbit oder Prüfbit) gerade ergänzt. Bei der anschliessenden Paritätskontrolle wird darauf geachtet, ob tatsächlich alle Zeilen und Spalten, der mit «1» belegten Bits gerade sind. Ist dies nicht der Fall, so liegt ein Speicher- oder Übertragungsfehler vor und bei zweidimensionaler Parität (wie bei diesem Zaubertrick) kann das fehlerhafte Bit nicht nur entdeckt, sondern auch gleich «geflippt», also korrigiert werden.

Grundsätzlich wird hier mit Redundanz gearbeitet: Die ursprünglichen Daten werden ergänzt, wobei diese Ergänzung keine eigentliche Information beinhaltet, sondern einzig der Fehlerentdeckung/-korrektur dient. Dieses Prinzip findet sich bei Codes, die wir aus dem Alltag kennen wie z.B. QR-Codes auf Flyer, EAN-Codes auf Produkten aus dem Warenhaus, ISBN-Codes auf Büchern und ähnliches.

Wenn der Zaubertrick verstanden wurde, können anschliessend die unten empfohlenen Aufgaben aus dem Lehrmittel «Connected», respektive «Einfach Informatik» bearbeitet werden.


Mögliche Aufgabenstellungen

Einstieg:

  • Den Zaubertrick durchführen gemäss Beschreibung.
  • Diskussion mit Schülerinnen und Schülern: Wie funktioniert der Zaubertrick?
  • Anschliessed probieren die Schülerinnen und Schüler den Zaubertrick in Dreiergruppen aus.

Vertiefung:

  • Das Thema kann im Zyklus 2 mit Hilfe von «Connected» Seiten 89-95 vertieft werden.
  • Für den Zyklus 3 eignet sich zur Vertiefung die Aufgaben im Lehrmittel «Einfach Informatik. Daten darstellen, verschlüsseln, komprimieren» Seite 52-69.
Mögliche Reflexionsfragen
  • Wo liegen die Grenzen von dem im Zaubertrick erlebten zweidimensionalen Fehlerkorrekturverfahren?
    (Es darf jeweils nur 1 Kärtchen gedreht werden)
  • Was lässt sich beobachten, wenn 2 Kärtchen auf einmal gedreht werden?
    (Die Fehler können im Gesamten noch erkannt, aber nicht mehr behoben werden.)

Materialien für den Unterricht

Parallele Bearbeitung des Themas mit Informatik-Lehrmitteln:

  • Lehrmittel «Connected 2», Seiten 89-95
  • Lehrmittel «Einfach Informatik. Daten darstellen, verschlüsseln, komprimieren» Seite 52-69

    Materialien für die Unterrichtsvorbereitung

    Dieser Zaubertrick findet sich sowohl bei MiniBiber als auch bei IlearnIt.ch und liefert Ideen für Varianten:

    Lehrplan 21

    Medien und Informatik - 2.1
    Die Schülerinnen und Schüler können Daten aus ihrer Umwelt darstellen, strukturieren und auswerten
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