Lehrplan PLUS

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Informatik

wird überarbeitet

1 Selbstverständnis des Faches Informatik und sein Beitrag zur Bildung
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Informations- und Kommunikationstechnologien sind heute sowohl im beruflichen Alltag als auch im Privatleben nicht mehr wegzudenken. Die weltweite Vernetzung ermöglicht jedem den Zugriff auf eine unüberschaubare Menge von Daten. Dadurch eröffnen sich dem Einzelnen große Chancen, beispielsweise im Hinblick auf eine schnelle und qualitativ hochwertige Informationsbeschaffung; es ergeben sich gleichzeitig aber auch Risiken, beispielsweise durch möglichen Missbrauch von Daten. Somit entsteht ein Spannungsfeld zwischen den Rechten und Interessen der Einzelpersonen, der gesellschaftlichen und ethischen Verantwortung und den möglichen Chancen, Risiken und Gefahren.

Das Fach Informatik zeigt den Heranwachsenden Wege, diese alltäglichen Herausforderungen in unserer global vernetzten Kommunikations- und Informationsgesellschaft angemessen und kompetent zu bewältigen. Aufbauend auf systematischem und zeitbeständigem Basiswissen über Funktionsweise und innere Struktur informationstechnischer Systeme erwerben die Schülerinnen und Schüler im Informatikunterricht ein breit gefächertes Kompetenzspektrum. Dieses versetzt sie in die Lage, Informationstechnologie sachgerecht und verantwortungsvoll zu nutzen und zudem deren grundsätzliche Möglichkeiten, Grenzen und Gefahren zu beurteilen. Darüber hinaus werden sie befähigt, Lösungen für informatische Problemstellungen selbständig und im Team zu entwickeln.

Ein kompetenter Umgang mit Information, beispielsweise im Hinblick auf deren Beschaffung, Verarbeitung und Weitergabe, erfordert u. a. eine von der Zielsetzung abhängige, stimmige Strukturierung der Information. Dazu wenden die Kinder und Jugendlichen im Fach Informatik verschiedene Ordnungsprinzipien (z. B. eine Klassifizierung nach gemeinsamen Eigenschaften) und Modellierungstechniken an. Diese Prinzipien können dann auch in anderen Fächern oder Bereichen zielgerichtet eingesetzt werden.

In der Informatik spielt die Modellierung eine zentrale Rolle. Ein entscheidender Aspekt ist dabei die Abstraktion, unter anderem durch Herausarbeitung der für die Aufgabenstellung relevanten Sachverhalte unter Vernachlässigung unwichtiger Aspekte. Das Fach Informatik leistet damit einen wichtigen Beitrag bei der Entwicklung der Abstraktionsfähigkeit. Gleichzeitig wird aufgrund der beim Modellieren notwendigen Entscheidungsprozesse das Urteilsvermögen der Schülerinnen und Schüler geschärft, da eine Situation von verschiedenen Standpunkten aus unterschiedlich bewertet werden kann. Jedes Modell stellt die Realität nur vereinfacht dar. Aus diesem Grund ist bei allen Anwendungsbeispielen der Informatik eine systematische Überprüfung und kritische Beurteilung der Ergebnisse sowie des gewählten Modells notwendig, was die Fähigkeit zu konstruktiver Kritik fördert.

In Wissenschaft und Wirtschaft werden umfangreiche Aufgabenstellungen in Form von Projekten organisiert. In der Informatik gilt dies insbesondere für den zentralen Bereich der Softwareentwicklung, weswegen im Informatikunterricht die Projektarbeit einen breiten Raum einnimmt. Damit erwerben die Schülerinnen und Schüler Kompetenzen, die sie auf die Anforderungen der modernen Berufswelt vorbereiten.

2.1 Kompetenzstrukturmodell
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Kompetenzstrukturmodell "Informatik"

Das Kompetenzstrukturmodell Informatik gliedert sich in prozessbezogene Kompetenzen (äußere Ringe) und Gegenstandsbereiche (innerer Bereich), welche in ihrer Gesamtheit die informatischen Kompetenzen bilden. Diese ziehen sich durch den Informatikunterricht aller Jahrgangsstufen und repräsentieren damit die zentralen Aspekte des Faches Informatik.

Analysieren
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Beim Analysieren untersuchen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Ausgangsszenarien (z. B. im Hinblick auf die zugrunde liegende Information und deren Repräsentationen) oder auch Informatiksysteme selbst. Dazu identifizieren, ordnen und kategorisieren sie die beteiligten Objekte und betrachten insbesondere deren Beziehungen und Abhängigkeiten, ggf. auch Abläufe. Die Analyse ist eine notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung von Informatiksystemen. Sie ist zudem entscheidend für die Bildung nachhaltiger mentaler Modelle von Systemen (z. B. Standardsoftware, Automaten des Alltags).

Modellieren
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Ausgehend von einer Analyse stellen die Schülerinnen und Schüler Ausschnitte der Wirklichkeit zielgerichtet, vereinfacht und strukturiert im Modell dar. Je nach Aufgabenstellung werden dabei, abhängig von der Zielrichtung, verschiedene Modellierungstechniken (statisch, objektorientiert, ablauforientiert, zustandsorientiert, prozessorientiert) verwendet. Beim Modellieren abstrahieren die Schülerinnen und Schüler vom realen Kontext, indem sie entscheidende Komponenten (z. B. Strukturen und Abläufe) identifizieren, deren Zusammenhänge und Beziehungen geeignet repräsentieren und nichtrelevante Aspekte unberücksichtigt lassen. Der Modellierungsprozess findet auf verschiedenen Abstraktionsebenen statt; abhängig davon werden ggf. Datenstrukturen und Algorithmen festgelegt oder selbst entwickelt, um schließlich eine geeignete Grundlage für die Implementierung zu legen.

Implementieren
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Beim Implementieren realisieren die Schülerinnen und Schüler die informatischen Modelle mithilfe geeigneter Programmiersprachen und Werkzeuge. In diesem Kontext entwickeln sie auch entsprechende Informatiksysteme. Erst nach der Implementierung sind die Schülerinnen und Schüler in der Lage, ihre Modelle in konkreten Situationen zu testen, die Lösung zu evaluieren und ggf. Fehler zu korrigieren.

Kooperieren und kommunizieren
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Im Zuge der Bearbeitung informatischer Aufgabenstellungen dokumentieren und präsentieren die Schülerinnen und Schüler ihre Arbeitsergebnisse, verwenden die Fachsprache angemessen und erläutern bzw. begründen ihre Lösungen. Im Rahmen von Teamarbeit, insbesondere bei der Arbeit in Softwareprojekten, legen die Schülerinnen und Schüler besonderen Wert auf das Kooperieren und Kommunizieren, indem sie beispielsweise geeignete Absprachen treffen und auf einen zielgerichteten Informationsaustausch achten.

Begründen und bewerten
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Die Schülerinnen und Schüler begründen und bewerten Analysen, Modelle und Implementierungen. Zudem erkennen sie Wechselwirkungen zwischen informatischen Sachverhalten und gesellschaftlichen Fragestellungen und beurteilen deren Auswirkungen. Sie reflektieren Möglichkeiten und Grenzen der Informatik und schätzen sowohl Chancen als auch Risiken und Gefahren von Informatiksystemen ein.

Anwenden
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Die Schülerinnen und Schüler verwenden Informatiksysteme situationsgerecht und zielgerichtet beim Analysieren, Modellieren und Implementieren sowie bei der Erstellung unterschiedlicher Dokumente. Darüber hinaus wenden sie u. a. auch selbst erstellte Softwareprodukte oder verschiedene Algorithmen zur Lösung gegebener Problemstellungen an.

Vernetzen
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Die Schülerinnen und Schüler erkennen, gestützt auf ihre informatischen Kompetenzen, Zusammenhänge und Analogien zwischen bekannten informatischen Inhalten bzw. Methoden und nutzen diese auch in neuen Kontexten und Anwendungsbereichen. Sie wenden ihre informatischen Kompetenzen in unterschiedlichen Lebensbereichen auch außerhalb der Informatik an. Das Vernetzen ist somit eine Kompetenz, mit deren Hilfe die Schülerinnen und Schüler neue Inhalte und Aspekte in ihr bisheriges Denk- und Wissensschema einbauen und informatische Sachverhalte und Vorgehensweisen über die Prozess- und Gegenstandsbereiche hinweg verknüpfen; sie nimmt daher eine besondere Stellung innerhalb der prozessbezogenen Kompetenzen ein.

Informatik und Gesellschaft
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Informations- und Kommunikationstechnologien spielen sowohl im beruflichen Alltag als auch im Privatleben eine wichtige Rolle. Damit kommt es zwangsläufig zu einer Wechselwirkung von Informatiksystemen und den Menschen, die mit diesen in Berührung kommen oder diese nutzen. Solche Wechselwirkungen treten beispielsweise in der Arbeitswelt, wo neue Arbeitsfelder entstehen können, oder im Kontext von Gewohnheiten, Lebensstilen und sozialen Zusammenhängen auf. Es ergibt sich ein Spannungsfeld zwischen den Rechten und Interessen der Einzelpersonen (u. a. Schutz von persönlichen Daten versus Informationsfreiheit), der gesellschaftlichen und ethischen Verantwortung und den möglichen Chancen, Risiken und Gefahren.

Information und ihre Repräsentationen
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Jede Information benötigt eine Darstellung (Repräsentation). Abhängig vom Anwendungskontext wird eine geeignete Repräsentation ausgewählt (z. B. Diagramm, Pseudocode oder Programm zur Beschreibung eines Ablaufs), um die Information zielgerichtet interpretieren oder automatisch verarbeiten zu können.

Modelle
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Modelle sind Repräsentationen von Ausschnitten der Wirklichkeit. Sie sind dabei auf Aspekte eingeschränkt, die dem Modellierenden für seine Zwecke, beispielsweise zur Veranschaulichung oder zur Entwicklung eines informatischen Systems, sinnvoll erscheinen. Bei der informatischen Problemlösung repräsentieren Modelle das Ergebnis des Analyseprozesses; ohne ein detailliert konzipiertes Modell ist keine fundierte und nachhaltige Entwicklung eines informatischen Systems möglich.

Daten und Datenstrukturen
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Daten sind Repräsentationen von Informationen, die automatisch verarbeitet werden können. Zur Speicherung und Organisation solcher Daten nutzt man Datenstrukturen; diese stellen geeignete Operationen zur Verfügung, die den effizienten Zugriff auf die Daten sowie deren Verwaltung gewährleisten. Die Festlegung sinnvoller Datenstrukturen erfolgt im Rahmen des Modellierungsprozesses.

Abläufe und Algorithmen
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Bestimmte Problemstellungen können durch Festlegung von Abläufen, d. h. Abfolgen von Handlungsschritten, unter Ausnutzung grundlegender Kontrollstrukturen (z. B. Wiederholungen und bedingten Anweisungen) gelöst werden. Die formalisierte Repräsentation eines  Ablaufs wird als Algorithmus bezeichnet; dieser muss bestimmte Kriterien erfüllen, beispielsweise die eindeutige Ausführbarkeit der Anweisungen. Durch Algorithmen kann die Lösung einer Problemstellung der automatisierten Verarbeitung durch einen Rechner zugänglich gemacht werden.

Softwareprojekte
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Aus Gründen der Strukturierung und Organisation findet Softwareentwicklung meist in Form von Projekten statt. Mit zunehmender Komplexität eines Projekts werden geeignete Techniken des Projektmanagements und spezielle standardisierte Ablaufmodelle der Softwareentwicklung notwendig, um eine effiziente Durchführung der Softwareentwicklung zu gewährleisten.

Informatiksysteme
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Ein Informatiksystem ist eine spezifische Zusammenstellung von Hardware-, Software- und/oder Netzwerkkomponenten zur Lösung eines Problems der Informationsverarbeitung. In der Praxis kann ein Informatiksystem ein Modellierungswerkzeug, eine Programmiersprache, ein einzelnes kommerzielles oder selbst erstelltes Softwareprodukt sein, aber auch eine aus zahlreichen Software- und Hardwarekomponenten bestehende vernetzte Struktur.

3 Aufbau des Fachlehrplans im Fach Informatik
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Der Fachlehrplan Informatik bezieht sich auf die im Kompetenzstrukturmodell aufgelisteten prozessbezogenen Kompetenzen und Gegenstandsbereiche, welche sich in unterschiedlicher Tiefe und Ausprägung durch den gesamten Fachlehrplan ziehen. Die zum Erwerb der Kompetenzen erforderlichen Inhalte werden in den Lernbereichen der einzelnen Jahrgangsstufen getrennt von den Kompetenzerwartungen ausgewiesen.

Mit Ausnahme der Softwareprojekte entsprechen die Gegenstandsbereiche nicht den Lernbereichen; vielmehr beziehen sich die Lernbereiche in der Regel auf mehrere Gegenstandsbereiche.

In den Jahrgangsstufen 6 und 7 wird Informatik in allen gymnasialen Ausbildungsrichtungen als ein Schwerpunkt des Faches Natur und Technik unterrichtet. Dabei liegt der Fokus auf der objektorientierten Analyse von Standardsoftware und deren Anwendung. Alle Schülerinnen und Schüler des Gymnasiums erhalten somit einen exemplarischen Einblick in das objektorientierte Modellierungskonzept, mit dessen Hilfe sie ein produktunabhängiges Verständnis und nachhaltige Kompetenzen im Anwenden der Standardsoftware erwerben. Die Informatik der Unterstufe bildet einerseits eine abgeschlossene Einheit, bereitet aber andererseits die Informatik der Mittelstufe propädeutisch vor.

In den Jahrgangsstufen 9 und 10 der naturwissenschaftlich-technologischen Ausbildungsrichtung stehen die für eine Softwareentwicklung wesentlichen prozessbezogenen Kompetenzen (Analysieren, Modellieren, Implementieren) im Vordergrund. In diesem Zusammenhang werden unterschiedliche, von der Betrachtungsweise und Zielsetzung abhängige Modellierungsarten behandelt und die entwickelten Modelle mit geeigneten Informatiksystemen umgesetzt. Im Rahmen der objekt- und datenorientierten Modellierung kann auf grundlegende Fachbegriffe, die in den Jahrgangsstufen 6 und 7 bereitgestellt wurden, zurückgriffen werden. Die objektorientierte Programmierung kann sich im Bereich der Algorithmik auf die bereits in der Jahrgangsstufe 7 thematisierten algorithmischen Kontrollstrukturen stützen.

In  Jahrgangsstufe 11 der Qualifikationsphase erfolgt eine Weiterführung der vor allem in der  Jahrgangsstufe 10 behandelten objektorientierten Sichtweise, wobei wiederum der Dreischritt Analysieren – Modellieren – Implementieren eine grundlegende Vorgehensweise darstellt. Es wird speziell auf Datenstrukturen eingegangen, die in der Unterstufe propädeutisch (Baum bzw. Graph) und in der Jahrgangsstufe 10 (Feld als zusammengesetzte Datenstruktur) bereits vertieft behandelt wurden. Mit der Rekursion wird aber auch eine gänzlich neue Denkweise eingeführt. Die Projektarbeit nimmt, aufbauend auf den Erfahrungen und Erkenntnissen der Unter- und Mittelstufe, eine exponierte Stellung ein.

Die Jahrgangsstufe 12 steht einerseits im Zeichen einer Vertiefung bereits in Unter- und Mittelstufe behandelter Themen (beispielsweise endliche Automaten als spezielle Form von Zustandsübergangsdiagrammen oder die Umsetzung algorithmischer Kontrollstrukturen auf maschinennaher Ebene). Andererseits werden weitere wichtige Bereiche der Informatik, wie z. B. Synchronisation von Prozessen und praktische Grenzen der Berechenbarkeit, thematisiert, die einen ersten Einblick in die Hochschulinformatik geben.

4 Zusammenarbeit mit anderen Fächern
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Die enge Verzahnung der Informatik mit Anwendungen in verschiedenen Bereichen, z. B. Wirtschaft, Wissenschaft oder auch Verwaltung, legt die Zusammenarbeit mit anderen Fächern (z. B. Mathematik, Physik, Wirtschaft und Recht, Biologie) nahe. Im Informatikunterricht werden bei der Auswahl von Beispielen daher Inhalte aus den verschiedensten Fächern aufgegriffen.

Ebenso kommen Denkweisen und Verfahren der Informatik in anderen Fächern vielfältig zur Anwendung. Das algorithmische Denken findet sich beispielsweise in der Mathematik bei Konstruktionsbeschreibungen, in Deutsch beim Beschreiben von Vorgängen und in der Physik bei Simulationen wieder; die Fähigkeit zur Modellbildung wird auch in den naturwissenschaftlichen Fächern gefordert. Fragestellungen zu den Wechselwirkungen von Informatik und Gesellschaft betreffen u. a. die Fächer Sozialkunde, Religionslehre und Ethik.

Umgekehrt können die Schülerinnen und Schüler in vielerlei Hinsicht auf Wissen und Methoden anderer Unterrichtsfächer zurückgreifen. Beispielsweise spielt bei der Thematisierung formaler Sprachen eine Abgrenzung zu den natürlichen Sprachen eine Rolle. Zudem zeigen etwa die Fächer Geschichte, Wirtschaft und Recht, Geographie, Sozialkunde, Religionslehre, Ethik und Kunst den gesellschaftlichen Hintergrund auf, in den die Informations- und Kommunikationstechnologie eingebettet ist.

Das Fach Informatik unterstützt durch einen sprachsensiblen und die Fachsprache fördernden Unterricht den Kompetenzerwerb aller Schülerinnen und Schüler, unabhängig von ihrer Muttersprache.

5 Beitrag des Faches Informatik zu den übergreifenden Bildungs- und Erziehungszielen
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Das Unterrichtsfach Informatik leistet zu zahlreichen übergreifenden Bildungs- und Erziehungszielen wertvolle Beiträge.

Medienbildung/Digitale Bildung
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Fokussiert auf die digital vernetzte Welt spielt die Medienbildung im Informatikunterricht eine bedeutende Rolle. Die Schülerinnen und Schüler erwerben Kenntnisse und Fertigkeiten, um sachgerecht, selbstbestimmt und verantwortungsvoll in einer multimedial geprägten Gesellschaft zu handeln und insbesondere Medien reflektiert zu nutzen. Dies zeigt sich beispielsweise beim verantwortungsbewussten Umgang mit Information, der Berücksichtigung der zentralen rechtlichen Bestimmungen für die Mediennutzung und -gestaltung (z. B. Datenschutz, Urheberrecht) sowie der Abschätzung von Chancen und Risiken digital verfügbarer Information, insbesondere der Kommunikation in sozialen Netzwerken.

Technische Bildung
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Computer sind ein zentrales Handwerkszeug des Informatikunterrichts. Durch das häufige Arbeiten am Rechner erfahren die Schülerinnen und Schüler dessen breit gefächerte Einsatzmöglichkeiten. Sie nutzen Informations- und Kommunikationstechnologien sachgerecht und verantwortungsbewusst; in diesem Kontext reflektieren die Schülerinnen und Schüler Chancen und Risiken neuerer informationstechnischer Entwicklungen und deren Folgen, z. B. für die Arbeitswelt oder für die Gesellschaft.

Werteerziehung
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Im Zusammenhang mit den vielfältigen Möglichkeiten der Informationsverbreitung realisieren sie Gefahren und mögliche Auswirkungen digitaler Veröffentlichungen, z. B. im Hinblick auf Cybermobbing. Damit leistet das Fach Informatik einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung einer reflektierten Wertehaltung im Umgang mit Daten.

Durch die Beschäftigung mit verschiedenen Fragestellungen des Datenschutzes wird den Schülerinnen und Schülern die Bedeutung von Persönlichkeitsrechten bei der elektronischen Datenverarbeitung bewusst. Sie gehen verantwortungsvoll mit personenbezogenen Daten um, z. B. bei Aktivitäten in digitalen Kommunikationsforen.

Soziales Lernen
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Bei der Beschäftigung mit zunehmend komplexen und umfangreichen Aufgabenstellungen erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass für deren Lösung Teamarbeit nicht nur ein entscheidender Vorteil, sondern oft auch unumgänglich ist und dass dabei die Zuverlässigkeit jedes Einzelnen gefordert ist. Außerdem wird die Bereitschaft der Jugendlichen gestärkt, Verantwortung zu übernehmen, die eigenen Ansichten und Ideen vor anderen zu vertreten, aber auch schlüssige Argumente der Teammitglieder zu akzeptieren.

Weitere Bildungs- und Erziehungsziele
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Das Fach Informatik leistet auch Beiträge zu weiteren Bildungs- und Erziehungszielen: zur Ökonomischen Verbraucherbildung (z. B. mittels der Kompetenzen im Bereich Informatik und Gesellschaft), zur Beruflichen Orientierung (z. B. durch Projektarbeit), zur Alltagskompetenz und Lebensökonomie (z. B. durch die Einschätzung der Risiken und Gefahren im Kontext der Nutzung sozialer Netzwerke) und zur Sprachlichen Bildung (z. B. durch die Auseinandersetzung mit formalen Sprachen).