Fachlehrplan Informatik 13 und spät beginnende Informatik 13 (grundlegendes Anforderungsniveau) Gymnasium, Informatik, Jahrgangsstufe 13

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• untersuchen formale Sprachen aus ihrem Alltag (z. B. Autokennzeichen, E-Mail-Adressen, Gleitkommazahlen) und formulieren Regeln, nach denen die Menge der Wörter der jeweiligen Sprache gebildet wird.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren | kooperieren und kommunizieren
• definieren Grammatiken zur Erzeugung formaler Sprachen und verwenden zur Notation der Produktionsregeln insbesondere die Erweiterte Backus-Naur-Form (EBNF) und Syntaxdiagramme.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren | analysieren
• entwerfen zum Erkennen regulärer Sprachen endliche Automaten.
  Prozessbezogene Kompetenzen: modellieren
• implementieren deterministische endliche Automaten zur automatisierten Überprüfung der Zugehörigkeit von Wörtern zu einer regulären Sprache.
  Prozessbezogene Kompetenzen: implementieren
• erläutern anhand von Beispielen wie beliebig tief geschachtelten Klammerausdrücken, dass es Sprachen gibt, die nicht regulär sind. Damit wird ihnen bewusst, dass für die automatisierte Verarbeitung von nicht regulären Sprachen, wie z. B. höheren Programmiersprachen, das Modell des endlichen Automaten nicht ausreicht.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten | kooperieren und kommunizieren | vernetzen

Inhalte zu den Kompetenzen:

• formale Sprache als Menge von Wörtern über einem Alphabet: Zeichen, Alphabet (Zeichenvorrat), Wort (Zeichenkette), Syntax, Semantik
  Gegenstandsbereiche: Information und ihre Repräsentationen
• Grammatik: Terminal, Nichtterminal, Produktionsregel, Startsymbol
  Gegenstandsbereiche: Information und ihre Repräsentationen
• Notation formaler Sprachen: u. a. Syntaxdiagramm und Erweiterte Backus-Naur-Form (EBNF)
  Gegenstandsbereiche: Information und ihre Repräsentationen | Modelle
• Ableitung eines Wortes einer formalen Sprache als Folge von Regelanwendungen, Ableitungsbaum
  Gegenstandsbereiche: Information und ihre Repräsentationen
• endlicher Automat: deterministisch, nichtdeterministisch; Zustandsmenge, Eingabealphabet, Zustandsübergang, Startzustand, Endzustand, Fehlerzustand (Fangzustand); reguläre Sprache
  Gegenstandsbereiche: Modelle | 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 | modellieren | analysieren | vernetzen
• 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-Architektur als grundlegendes Modell für moderne Rechner: Prozessor (Rechenwerk, Steuerwerk), Speicher, Ein- und Ausgabeeinheit, Bussystem (Datenbus, Steuerbus, Adressbus)
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Informatiksysteme
• Registermaschine: Akkumulator, Befehlsregister, Befehlszähler, Statusregister, Befehlszyklus
  Gegenstandsbereiche: Informatiksysteme | Modelle
• Kontrollstrukturen in Assemblersprache
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• bewerten durch Zeitmessungen und Zählverfahren (z. B. Zählen der Aufrufe bei der Ausführung rekursiver Algorithmen, Zählen der zeitkritischen Anweisungen) den Laufzeitaufwand von Algorithmen.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten | analysieren
• begründen, dass ein hoher Laufzeitaufwand sicherheitsrelevant sein kann, z. B. bei der Ermittlung eines Passworts mit dem Brute-Force-Verfahren.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten
• erläutern exemplarisch durch Plausibilitätsbetrachtungen zum Halteproblem, dass es Probleme gibt, die nicht automatisiert lösbar sind.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | vernetzen

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Laufzeitaufwand von Algorithmen (linear, quadratisch als Beispiele für polynomiales Laufzeitverhalten; exponentiell, logarithmisch), Best Case, Average Case, Worst Case
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen
• Brute-Force-Verfahren
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen
• Halteproblem (Widerspruchsbeweis)
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erklären den prinzipiellen Aufbau eines künstlichen neuronalen Netzes, führen an einfachen Beispielen eine Forward Propagation zu gegebenen Eingabewerten durch und beschreiben die Zielsetzung der Fehlerrückführung.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | analysieren
• analysieren unter Verwendung einer geeigneten Software den Einfluss von Trainingsdaten und Hyperparametern, insbesondere der Anzahl von Schichten und Neuronen, auf den Lernerfolg künstlicher neuronaler Netze.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren | anwenden
• beschreiben die Funktionsweise des k-Means-Algorithmus als Beispiel unüberwachten Lernens und implementieren diesen für ein Beispiel.
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren | implementieren
• analysieren für verschiedene Eingabedaten die Ergebnisse, die der k-Means-Algorithmus in Abhängigkeit von k liefert.
  Prozessbezogene Kompetenzen: analysieren
• erläutern die Grundprinzipien überwachten Lernens (supervised learning), unüberwachten Lernens (unsupervised learning) und bestärkenden Lernens (reinforcement learning).
  Prozessbezogene Kompetenzen: kooperieren und kommunizieren
• nehmen zu aktuellen Einsatzmöglichkeiten des maschinellen Lernens (z. B. Gesichtserkennung, Clustering von Kundendaten zu Marketingzwecken) Stellung, indem sie Chancen und Risiken beschreiben und diese hinsichtlich individueller und gesellschaftlicher Verantwortung bewerten.
  Prozessbezogene Kompetenzen: begründen und bewerten | vernetzen

Inhalte zu den Kompetenzen:

• neuronales Netz: Ein-, Ausgabeschicht, verdeckte Schicht, Gewichte; Forward Propagation und Fehlerrückführung (Backpropagation), Kostenfunktion
  Gegenstandsbereiche: Modelle | Information und ihre Repräsentationen
• Clustering, k-Means-Algorithmus
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen
• maschinelles Lernen: überwachtes Lernen (supervised learning), unüberwachtes Lernen (unsupervised learning), bestärkendes Lernen (reinforcement learning)
  Gegenstandsbereiche: Abläufe und Algorithmen | Modelle
• ethische Fragen bei Künstlicher Intelligenz
  Gegenstandsbereiche: Informatik und Gesellschaft