Fachlehrplan Informatik 12 (erhöhtes Anforderungsniveau) Gymnasium, Informatik, Jahrgangsstufe 12

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• analysieren rekursive Algorithmen und erläutern das Prinzip der Rekursion. Dabei vergleichen sie iterative und rekursive Algorithmen für geeignete Problemstellungen.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren | kooperieren und kommunizieren
• implementieren rekursive Algorithmen zur Lösung von Problemen und Aufgaben, wie z. B. Berechnung des ggT, Erzeugung selbstähnlicher Figuren, Türme von Hanoi.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren
• erläutern die Idee der Tiefensuche in Graphen, formulieren den zugehörigen Algorithmus und wenden diesen an konkreten Beispielen an.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren | anwenden | kooperieren und kommunizieren
• implementieren die Tiefensuche in Graphen und modifizieren den Algorithmus in geeigneter, vom Anwendungskontext abhängiger Weise, z. B. bei der Auswahl oder Bearbeitung aller erreichbaren Knoten mit bestimmten Eigenschaften.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren | anwenden

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Rekursion: rekursiver Aufruf, Abbruchbedingung, lineare und verzweigte Rekursion
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen
• Tiefensuche
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• modellieren mithilfe einfach verketteter Listen lineare Datenstrukturen aus verschiedenen Situationen ihres Lebensumfeldes, z. B. eine Playlist. Sie nutzen dabei das Konzept der Trennung von Struktur und Daten sowie das Entwurfsmuster Kompositum.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren | anwenden
• entwickeln basierend auf ihrem Modell der einfach verketteten Liste Algorithmen zum Einfügen bzw. Löschen von Elementen an beliebiger Stelle sowie zum Durchlaufen der Liste, um z. B. Elemente zu suchen oder zu verändern. Dabei nutzen sie das Prinzip der Rekursion.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren | modellieren
• erläutern die Kommunikation zwischen Objekten anhand gegebener Sequenzdiagramme, insbesondere zwischen den Objekten der Listenstruktur.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren | kooperieren und kommunizieren
• implementieren einfach verkettete Listen und die zugehörigen Algorithmen mithilfe einer objektorientierten Programmiersprache.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren
• nutzen bei der Modellierung und Implementierung von alltagsnahen Anwendungssituationen die flexible Verwendbarkeit einfach verketteter Listen; dabei setzen sie insbesondere die Datenstrukturen Stapel und Warteschlange um.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren | implementieren | anwenden

Inhalte zu den Kompetenzen:

• einfach verkettete Liste: rekursive Struktur, ausgewählte und soweit möglich rekursiv definierte Methoden, u. a. zum Einfügen, Entfernen und Suchen von Elementen sowie zur Bestimmung der Listenlänge
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Daten und Datenstrukturen | Abläufe und Algorithmen
• Trennung von Struktur und Daten bzw. Inhalt
  Gegenstandsbereiche: Daten und Datenstrukturen
• Entwurfsmuster Kompositum
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Daten und Datenstrukturen
• Sequenzdiagramm
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Information und ihre Repräsentationen
• Grundprinzip von Stapel (LIFO) und Warteschlange (FIFO)
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Daten und Datenstrukturen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• modellieren geordnete Binärbäume zu verschiedenen Problemstellungen ihres Erfahrungsbereiches (z. B. digitales Wörterbuch), in denen eine effiziente Datenhaltung wichtig ist. Sie nutzen dabei das Konzept der Trennung von Struktur und Daten sowie das Entwurfsmuster Kompositum und erkennen die Wiederverwendbarkeit eines Entwurfsmusters.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren | anwenden
• entwickeln rekursive Algorithmen zur Verwaltung der Daten, die in einem Binärbaum gespeichert sind, insbesondere zur Traversierung eines Binärbaums sowie zum Einfügen und Suchen in einem geordneten Binärbaum, und wenden diese Algorithmen an konkreten Beispielen an.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren | modellieren | anwenden
• implementieren auf der Grundlage gegebener Modelle geordnete Binärbäume mithilfe einer objektorientierten Programmiersprache.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren
• vergleichen und bewerten geordnete Binärbäume und einfach verkettete Listen hinsichtlich der Anzahl der Schlüsselvergleiche bei Suchanfragen. Dabei wird ihnen bewusst, dass die Effizienz einer Suche insbesondere von der Struktur des geordneten Binärbaums abhängig ist.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten
• nutzen bei der Bearbeitung von alltagsnahen Anwendungssituationen (z. B. Speicherung und Verarbeitung von Personendaten) eine bereits implementierte Version eines geordneten Binärbaums und passen diese an die konkrete Aufgabenstellung an.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren | anwenden
• erläutern an konkreten Beispielen, wie Bäume, die keine geordneten Binärbaume sind, zur Lösung praxisrelevanter Aufgaben verwendet werden, z. B. Huffman-Baum zur Umsetzung einer Textkompression, Quad-Tree zur Flächenindizierung oder Hash-Baum zur Sicherstellung der Integrität von Daten.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | modellieren | anwenden
  Übergreifende Ziele: Sprachliche Bildung

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Baum: Wurzel, Knoten, Kante, Blatt, Pfad, Höhe, Ebene
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Daten und Datenstrukturen
• Binärbaum; Spezialfälle: vollständig, balanciert, entartet
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Daten und Datenstrukturen
• geordneter Binärbaum: Definition, Einfügen und Suchen von Elementen
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen | Modelle | Daten und Datenstrukturen
• Trennung von Struktur und Daten bzw. Inhalt
  Gegenstandsbereiche: Daten und Datenstrukturen
• Entwurfsmuster Kompositum
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Daten und Datenstrukturen
• Traversierungsstrategien im Binärbaum: Preorder, Inorder, Postorder
  Gegenstandsbereiche: Daten und Datenstrukturen | Abläufe und Algorithmen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• beschreiben die wesentlichen Komponenten eines Computersystems und vergleichen dieses mit der Von-Neumann-Architektur. Dabei erkennen sie, dass die Von-Neumann-Architektur die Grundlage moderner Computersysteme bildet.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | analysieren | vernetzen
• erläutern die Erweiterung der Darstellung von natürlichen Zahlen im Binärsystem auf die Darstellung von ganzen Zahlen unter Verwendung des Zweierkomplements; dabei betrachten sie Zahlbereichsgrenzen für Binärzahlen mit fester Stellenzahl und führen Berechnungen mit Überlauf durch.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | analysieren | anwenden
• beschreiben anhand gegebener Transistorschaltungen, wie elementare logische Funktionen (u. a. AND, OR, NOT) auf Hardwareebene in Form von Logikgattern realisiert werden können.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | analysieren
• erläutern, wie n-stellige logische Funktionen durch disjunktive Normalformen dargestellt werden können; für einfache Beispiele (u. a. Halbaddierer, Volladdierer) überführen sie disjunktive Normalformen in Schaltungen auf Basis von Logikgattern und simulieren diese mit geeigneter Software. So erhalten sie einen Einblick in den Ablauf von Rechenvorgängen auf Hardwareebene.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | anwenden | vernetzen | analysieren
• modellieren geeignete Problemstellungen (z. B. sensorgesteuerte Aktionen) mithilfe logischer Funktionen und erläutern, dass deren Beschreibung in disjunktiver Normalform in der Regel nicht zur einfachsten Realisierung einer Schaltung führt.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren | kooperieren und kommunizieren
• erläutern, wie sich jede logische Funktion nur durch die NAND-Funktion darstellen lässt, und beschreiben die dadurch entstehenden Möglichkeiten für die technische Realisierung von Hardwarekomponenten.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren
• erläutern den Aufbau und die Funktionsweise einer Registermaschine.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren
• erläutern die Abarbeitung eines Programms durch eine Registermaschine und beschreiben den zugrunde liegenden Algorithmus, z. B. in einer höheren Programmiersprache oder einem Struktogramm.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | modellieren
• setzen einfache Algorithmen in Assemblersprache um und testen diese Programme mithilfe einer Registermaschinensimulation.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren | anwenden

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Von-Neumann-Modell als grundlegendes Modell für moderne Rechner: Prozessor (Rechenwerk, Steuerwerk), Speicher, Ein- und Ausgabeeinheit, Bussystem (Datenbus, Steuerbus, Adressbus)
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Informatiksysteme
• Zweierkomplement, Zahlenbereiche elementarer Datentypen, Übertrag, Überlauf
  Gegenstandsbereiche: Information und ihre Repräsentationen
• Logikgatter: AND, OR, NOT, NAND; Halb- und Volladdierer
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen | Informatiksysteme
• Schaltbelegungstabellen, logische Funktionen, disjunktive Normalform
  Gegenstandsbereiche: Information und ihre Repräsentationen
• Registermaschine: Akkumulator, Befehlsregister, Befehlszähler, Statusregister, Befehlszyklus, direkte und indirekte Adressierung
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme | Modelle
• Kontrollstrukturen in Assemblersprache
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern den Zweck sowie die Aufgaben eines Betriebssystems und beschreiben dessen prinzipiellen Aufbau anhand eines Schalenmodells.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | analysieren | modellieren
• vergleichen die Anforderungen, die an Betriebssysteme in unterschiedlichen Einsatzszenarien (z. B. Einzel- und Mehrbenutzerbetrieb) gestellt werden.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren
• nutzen und beschreiben Funktionen und Mechanismen von Betriebssystemen, die dem Schutz und der Sicherheit von elektronischen Geräten dienen, und erläutern, welche Sicherheitsrisiken mit Betriebssystemen verbunden sind. Dabei betrachten sie insbesondere die Rechteverwaltung in Betriebssystemen.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten | analysieren | kooperieren und kommunizieren | anwenden
• beschreiben und bewerten unterschiedliche Scheduling-Strategien, die von Betriebssystemen bei der Prozessverwaltung eingesetzt werden, um den zeitlichen Ablauf von Prozessen zu regeln.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten | kooperieren und kommunizieren
• analysieren parallele Abläufe an Alltagsbeispielen, insbesondere im Hinblick auf die Nutzung gemeinsamer Ressourcen, und begründen die Notwendigkeit der Synchronisation.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren | begründen und bewerten
  Übergreifende Ziele: Alltagskompetenz und Lebensökonomie
• modellieren anhand einfacher Beispiele die Nutzung gemeinsamer Ressourcen in einem Betriebsmittelzuteilungsgraph (z. B. Verwaltung von Druckaufträgen, Verkehrssituationen, Lagerverwaltung mit mehreren Lieferanten, Steuerung von Roboteranlagen) und analysieren diesen hinsichtlich einer möglichen Verklemmungssituation; sie erläutern die Coffman-Bedingungen und entwickeln daraus mögliche Maßnahmen zur Verhinderung von Verklemmungen in Anwendungssituationen.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren | analysieren | kooperieren und kommunizieren | anwenden
• modellieren nebenläufige Prozesse bzw. Teilprozesse (Threads) mit Sequenzdiagrammen.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren
• erläutern das Monitor- und das Semaphorkonzept als mögliche Strategien zur Synchronisation nebenläufiger Prozesse.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren
• implementieren Beispiele mit nebenläufigen (Teil-)Prozessen und synchronisieren diese.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren

Inhalte zu den Kompetenzen:

• zentrale Aufgaben eines Betriebssystems: Prozessverwaltung, Speicherverwaltung, Geräte- und Dateiverwaltung, Benutzerverwaltung
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme
• Betriebssystemkern (Kernel), Kernelmodus (Kernel-Mode), Benutzermodus (User-Mode), Dienst, Schnittstelle, Systemaufruf
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme | Abläufe und Algorithmen
• Zugriffsrechte, Zugriffskontrolle, Authentifizierung
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme
• Prozess, Prozesszustände (bereit, aktiv, blockiert, beendet), aktives und passives Warten, Prozess-Scheduler, Schedulingstrategien (First Come First Served, Round-Robin, Shortest-Job-First, Prioritätsscheduling)
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme | Abläufe und Algorithmen
• Nebenläufigkeit, Synchronisation, kritischer Abschnitt, wechselseitiger Ausschluss
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen
• Betriebsmittel, Betriebsmittelzuteilungsgraph, Verklemmung (Deadlock), Coffman-Bedingungen, ununterbrechbare Ressource
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen | Informatiksysteme | Modelle
• Monitorkonzept, Semaphorkonzept; leichtgewichtiger Prozess (Thread); Sequenzdiagramm
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Abläufe und Algorithmen
• Erzeuger-Verbraucher-Problem, Leser-Schreiber-Problem, Philosophenproblem
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen | Modelle

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• analysieren exemplarisch ein Informatiksystem (z. B. Smartphone-App, Smarthome-System, Informatiksystem eines Unternehmens) hinsichtlich der Umsetzung wichtiger Schutzziele der Informationssicherheit und bewerten das Erreichen dieser Ziele.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten | analysieren
• beschreiben verschiedene Arten der Gefährdung eines Informatiksystems und analysieren ein mögliches Angriffsszenario.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | analysieren
• erläutern Maßnahmen, die die Informationssicherheit gewährleisten sollen. In diesem Kontext werden ihnen technische und wirtschaftliche Grenzen bewusst.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten | kooperieren und kommunizieren | analysieren | vernetzen
• erörtern verschiedene Perspektiven einer Fragestellung der Informationssicherheit, z. B. Offenlegung oder Nichtoffenlegung von Schwachstellen. Dabei berücksichtigen sie individuelle und gesellschaftliche Auswirkungen.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten | kooperieren und kommunizieren | vernetzen

Inhalte zu den Kompetenzen:

• wichtige Schutzziele der Informationssicherheit: Vertraulichkeit, Integrität, Verfügbarkeit, Authentizität
  Gegenstandsbereiche: Informatik und Gesellschaft | Informatiksysteme
• Gefährdungskategorien: höhere Gewalt (z. B. Blitzeinschlag), organisatorische Mängel (z. B. unzureichende Regelungen), menschliche Fehlhandlungen (z. B. Preisgabe eines Passworts), technisches Versagen (z. B. Hardwareausfall), vorsätzliche Handlungen, z. B. Schadprogramme, DDoS
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme | Informatik und Gesellschaft
• Sicherheitsmaßnahmen: organisatorisch (z. B. Richtlinien, Passwortregel), technisch (z. B. Antivirensoftware, Firewall, Verschlüsselung, Sandbox), physisch, z. B. Zugangskontrolle
  Gegenstandsbereiche: Informatik und Gesellschaft | Informatiksysteme

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• beurteilen anhand ausgewählter Kriterien die Qualität eines Softwareprodukts.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten
• beurteilen die Gebrauchstauglichkeit eines Softwareprodukts hinsichtlich ausgewählter Prüfkriterien der Softwareergonomie.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten
• entwerfen und implementieren einfache grafische Benutzeroberflächen. Dabei berücksichtigen sie ausgewählte Prüfkriterien der Softwareergonomie.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren | modellieren
• beurteilen das Wasserfallmodell und ein agiles Vorgehensmodell der Softwareentwicklung hinsichtlich ihres Beitrags zur Sicherstellung der Softwarequalität.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten
• verwenden Entwurfs- bzw. Architekturmuster sowie Programmbibliotheken, dokumentieren und refaktorieren den Quellcode und führen unterschiedliche Tests zur Überprüfung der Funktionalität von Softwareprodukten durch.
  Prozessbezogene Kompetenzen: anwenden | implementieren | analysieren
• führen ein Softwareprojekt zu einer Aufgabenstellung aus der Praxis (z. B. Inventarverwaltung, einfaches Spiel, Kursverwaltung als Webanwendung) gemäß einem Vorgehensmodell der Softwareentwicklung im Team eigenverantwortlich und arbeitsteilig unter Verwendung eines Versionsverwaltungssystems durch. Dabei wenden sie produkt- und prozessorientierte Maßnahmen des Softwarequalitätsmanagements an, reflektieren ihren Arbeitsprozess und beachten Aspekte des Urheberrechts und Datenschutzes.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren | implementieren | kooperieren und kommunizieren | anwenden | begründen und bewerten | analysieren

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Merkmale der Softwarequalität: äußere bzw. nutzerbezogene (z. B. Funktionalität, Zuverlässigkeit, Effizienz, Benutzbarkeit) und innere bzw. entwicklerbezogene, z. B. Übertragbarkeit, Änderbarkeit
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme | Softwareprojekte
• Prüfkriterien der Softwareergonomie: z. B. Aufgabenangemessenheit, Selbstbeschreibungsfähigkeit, Erwartungskonformität
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme | Softwareprojekte
• Bibliotheksklassen: z. B. für Listen, Elemente einer grafischen Benutzeroberfläche, Taktgeber, Methoden zur persistenten Datenspeicherung
  Gegenstandsbereiche: Softwareprojekte | Information und ihre Repräsentationen
• Entwurfs- bzw. Architekturmuster: Observer-Pattern, Model-View-Controller (MVC)
  Gegenstandsbereiche: Modelle
• Grundlagen der Projektplanung: Zielsetzung, Arbeitsteilung, Schnittstellen, Meilensteine
  Gegenstandsbereiche: Softwareprojekte
• Wasserfallmodell: Analyse, Entwurf, Implementierung, Test, Bewertung und Abnahme, Betrieb und Wartung
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Softwareprojekte
• agile Softwareentwicklung: agiles Manifest, agile Methoden (z. B. User Stories, Tasks, Project Board, Sprints, Retrospektive); iterativ inkrementelle Softwareentwicklung
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Softwareprojekte
• Testen: z. B. manuelles Überprüfen, automatisiertes Testen, Debuggen, Durchführen von Integrationstests
  Gegenstandsbereiche: Softwareprojekte | Abläufe und Algorithmen
• Refaktorierung: z. B. Erhöhung von Lesbarkeit und Verständlichkeit, Vermeidung von Redundanz, Erweiterbarkeit
  Gegenstandsbereiche: Softwareprojekte | Information und ihre Repräsentationen
• Dokumentation: Projektdokumentation gemäß dem gewählten Vorgehensmodell, Dokumentation des Quellcodes
  Gegenstandsbereiche: Softwareprojekte