Modul 05

1. Algorithmen

Übersicht über die Kapitel: 

1.1 Was ist ein Algorithmus?

1.2 Algorithmus ja oder nein? 

1.3 Implementieren von Algorithmen

1.1. Was ist ein Algorithmus?

Algorithmen sind zentraler Bestandteil der digitalen Welt. Was aber ist ein Algorithmus genau? Das erfahren Sie im untenstehenden Video.

1.2. Algorithmus - Ja oder Nein?

1.3. Implementieren von Algorithmen

Sequenz

Eine Folge von Anweisungen wird der Reihe nach ausgeführt.

Wiederholung

Eine Folge von Anweisungen wird wiederholt. 

Hier gibt es genau genommen (zwei) unterschiedliche Formen. Einmal eine Wiederholung mit fester Anzahl (im Beispiel 4; das kennen wir bereits) und einmal eine Wiederholung mit Bedingung (wiederhole solange bis du nicht mehr hungrig bist; das kennen wir noch nicht).

Es werden alternative Abläufe beschrieben. Falls wir hungrig sind, kochen wir etwas.

2. Fallunterscheidung

Übersicht über die Kapitel: 

2.1-2.2 Arten von Blöcken

2.3 Wahrheitswerte

2.4 Fallunterscheidung

2.5-2.10 Interaktives Malprogramm

2.12-2.14 Übungen zu Fallunterscheidungen

2.15 Komplexe Bedingungen

2.16-2.20 Exkurs: Spaß in Snap!

2.1. Arten von Blöcken

2.2. Mögliche Lösung (Arten von Blöcken)

Der eckige (Befehls-)Block sage (Hallo!) "tut etwas": Er bringt das Objekt dazu etwas auf der Bühne zu "sagen".

Der zweite und dritte Block erzeugen Sprechblasen "direkt am Block", sie geben Werte zurück, haben aber keinen Effekt auf der Bühne.

Genau genommen gibt der zweite Block (Typ Funktion) einen beliebigen Wert zwischen 1 und 10 zurück, der dritte Block (Typ Prädikat) nur den Wert wahr oder falsch.

2.3. Wahrheitswerte

2.4. Fallunterscheidung

2.5. Interaktives Malprogramm (Schritt 1)

• Fügen Sie Ihre Blöcke an den Wenn (Grüne Flagge) angeklickt Block an. Klicken Sie dann die grüne Flagge rechts oben, um das Programm zu starten.
  
• Benötigte Blöcke: 
  
    
  

Eine mögliche Lösung finden Sie auf der nächsten Seite. 

2.6. Interaktives Malprogramm (Lösung 1)

Mögliche Lösung zum Vergleichen (Schritt 1): 

2.7. Interaktives Malprogramm (Schritt 2)

Nutzen Sie den Block "Stift runter" aus der Kategorie "Stift", um dem Objekt eine Malspur hinzuzufügen!

Tipp: 

• Benötigte Blöcke
  
  
  

2.8. Interaktives Malprogramm (Lösung 2)

Mögliche Lösung zum Vergleichen (Schritt 2): 

2.9. Interaktives Malprogramm (Schritt 3)

Nutzen Sie eine Fallunterscheidung und prüfen Sie, ob die Maustaste gedrückt ist! In diesem Fall soll der Block "Stift runter", in allen anderen Fällen der Block "Stift hoch" aufgerufen werden!

Tipps:

Objekte nicht mehr greifbar machen: 

Sie greifen ein Objekt, wenn Sie dies mit der linken Maustaste anklicken und diese gedrückt halten. Es erscheint ein Schatten.

Für unser Malprogramm ist dieses Verhalten unpassend.
Entfernen Sie daher den Haken bei greifbar (unter dem Namen Ihres Objekts), damit das Objekt nicht mehr greifbar wird.

An zusätzlichen Blöcken benötigen wir noch:

2.10. Interaktives Malprogramm (Lösung 3)

Mögliche Lösung zum Vergleichen: 

Hier eine Lösung, die auch Stiftfarbe und Stiftdicke ändert:

Hier eine Lösung, die zwei falls-Blöcke verwendet:

Hier noch eine weitere mögliche Lösung:

2.11. Übungen zu den Fallunterscheidungen I

2.12. Übungen zu den Fallunterscheidungen - Lösung I

Mögliche Lösung zu Aufgabe 1 zum Vergleichen: 

Bei Note 1 sagt die Figur "Sehr gut! Weiter so!", denn 1 ist kleiner als 3.
Bei Note 4 sagt die Figur "Nochmal gut gegangen!".
Bei Note 6 sagt die Figur "Das nächste mal wird's was!", da 6 größer ist als 4.

2.13. Übungen zu den Fallunterscheidungen II

Neben den Blöcken, mit denen Sie das Kostüm wechseln, die wir Ihnen bereits in den Skriptbereich gelegt haben, benötigen Sie Blöcke aus den Kategorien Operatoren, Variablen und Steuerung.

2.14. Übungen zu den Fallunterscheidungen - Lösung II

Mögliche Lösung zu Aufgabe 2 zum Vergleichen: 

2.15. Komplexe Bedingungen

2.16. Exkurs: Spaß in Snap! - Schritt 1

Finden Sie diesen Bereich in Ihrem Snap!-Fenster (rechts, unter der Bühne).

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Objekt. Wählen Sie Duplizieren.

2.17. Exkurs: Spaß in Snap! - Schritt 2

Mögliche Lösung zu Schritt 1: 

Neben Ihrem bisherigen Objekt sollte ein neues Objekt mit dem Namen Objekt(2) entstanden sein.

 Ziehen Sie den Block gehe zu x: () y: () aus der Kategorie Bewegung an die Stelle.

Ziehen Sie dann die Blöcke  Maus x-Position und Maus y-Position.

2.18. Exkurs: Spaß in Snap! - Schritt 3

Mögliche Lösung von Schritt 2: 

Bisher sollte das Skript so aussehen:

Bisher sehen wir noch keinen Effekt: Wir haben eine Implementierung durch eine andere ausgetauscht.

Tipp: Stiftfarbe verändern
Klicken Sie auf das farbige Quadrat im Block setze Stiftfarbe auf ☐.

2.19. Exkurs: Spaß in Snap! - Schritt 4

Mögliche Lösung zu Schritt 3: 

Hinweis: Sie sehen jetzt nur noch die blaue Linie, da der rote Stift vom blauen Stift übermalt wird.

2.20. Exkurs: Spaß in Snap! - Schritt 5

Mögliche Lösung zu Schritt 4: 

 Hier gibt's das komplette Projekt.

3. Eigene Blöcke

Übersicht über die Kapitel: 

3.1-3.4 Eigene Blöcke erstellen

3.5-3.6 Exkurs: Funktionsblöcke

3.1. Eigene Blöcke erstellen I

Klicken dazu auf die Schaltfläche 'Neuer Block', die wir am Ende jeder Kategorie der Palette finden und erstellen einen neuen Befehlsblock.

Es öffnet sich ein neues Fenster, in dem Blöcke genau wie Skripte im Skriptbereich editiert werden können.

Achten Sie beim Erstellen des Blocks darauf, dass seitenzahl als Eingabe und nicht als Beschriftung ausgezeichnet ist.
Klicken Sie auf ein Wort wie seitenzahl um es von Beschriftung zu Eingabe zu ändern oder umgekehrt.

3.2. Eigene Blöcke erstellen II

Mögliche Lösung: 

Eine möglich Lösung ist:

3.3. Eigene Blöcke erstellen III

Mögliche Lösung zum Vergleichen: 

Weiter geht's: 

Schreiben Sie ein Skript, in dem Ihr gerade erstellter Block mindestens 3 mal aufgerufen wird!

3.4. Eigene Blöcke erstellen IV

Mögliche Lösung zum Vergleichen: 

Hier sind viele Lösungen denkbar. Sie können den Block in einer Sequenz mehrfach aufrufen:

oder innerhalb einer Wiederholung verwenden:

3.5. Exkurs: Funktionsblöcke

3.6. Lösung zum Exkurs Funktionsblöcke

4. Algorithmen und Gesellschaft

Übersicht über die Kapitel: 

4.1 Algorithmen und Gesellschaft

4.2 Exkurs: Algorithmen in der Grundschule

4.1. Algorithmen und Gesellschaft - Beispiele

"Algorithmen" sind nicht nur wichtiger, für sich stehender Bestandteil der KMK-Kompetenzen. Sie spielen auch in den unterschiedlichsten Disziplinen eine Rolle, entscheiden doch Algorithmen, welche Suchergebnisse wir erhalten, welche Nachrichten wir lesen oder welche Produkte uns angezeigt werden. Auch die Überwachung dutzender Server oder die Auswertung seismographischer Daten erfolgt durch Algorithmen. Schreiben wir Texte digital, so unterstützt uns die Rechtschreibkorrektur – noch etwas hinter dem Algorithmen stecken.

Algorithmen beeinflussen unser Handeln und treffen zudem Entscheidungen, die uns auch persönlich betreffen. Wir haben Ihnen im Folgenden einige Beispiele herausgesucht.

Auswahl der besten Reiseroute

Bei der Routenplanung ist es die Aufgabe der Algorithmen den schnellsten, kürzesten, wirtschaftlichsten oder landschaftlich schönsten Weg von einem Start- zu einem Zielort zu finden. Algorithmen werden hier eingesetzt, um uns das Leben angenehmer zu machen. Ein bekannter Algorithmus, der genau diesen Weg findet, ist übrigens der Dijkstra-Algorithmus.

Auch wenn manch einer sich so sehr auf sein Navigationssystem verlässt , dass er schonmal stundenlang in die falsche Richtung fährt oder ins Meer stürzt, weil die noch in Bau befindliche Brücke auf seinem Navigationssystem schon existiert, würden wir Navigationssysteme vermutlich als unproblematisch beschreiben.

Automatischer Handel mit Aktien

Nachdem Computer deutlich schneller rechnen können als wir Menschen, ist ihr Einsatz im Börsenhandel nicht abwegig. Wie groß der Anteil der Computer-Broker wirklich ist, überrascht viele: Bereits 2012 wurden 85 Prozent des US-Aktienhandels von Algorithmen durchgeführt.

Dahinter verbergen sich komplexe mathematische Formeln, die versuchen aus historischen Marktdaten und aktuellen Marktsignalen Rückschlüsse auf den besten Zeitpunkt für An- bzw. Verkauf zu schließen. Das das nicht immer reibungslos klappen muss, zeigte sich am Schwarzen Montag 1987, dem ersten Börsenkrach nach dem zweiten Weltkrieg.

Filterblasen

Filterblasen sind ein Phänomen, das vor allem im Kontext sozialer Netzwerke und Suchmaschinen existiert. In der Kategorie #kurzerklärt beschreibt die Tagesschau, was unter Filterblasen zu verstehen ist.

Eignung eines Bewerbers feststellen

Personalabteilungen nutzen Algorithmen, um die richtigen Bewerber für das eigene Unternehmen auszuwählen. Aus Modul 00 wissen wir, dass in Zukunft Kompetenzen in den Bereichen Kreativitität, kritisches Denken, Kollaboration und Kommunikation besonders wichtig sind. Festzustellen, ob ein Bewerber diese Kompetenzen mitbringt, ist nicht leicht und Entscheidungen basieren oft rein auf der eigenen Intuition. In Großbritannien und den USA werden daher über 70% der Bewerbungen zunächst von Algorithmen bewertet, ehe ein Mensch die Bewerbung sichtet.

Der Wunsch hinter dem Einsatz von Algorithmen ist, dass sie zuverlässiger und vor allem objektiver Entscheidungen treffen.
Berichte aus der Praxis zeigen, dass dem nicht immer so ist. Der folgende Tweet fasst das pointiert zusammen.

Beurteilen, ob ein Straftäter rückfällig wird

Die US-Justizbehörden nutzen Algorithmen, die abschätzen, ob eine Straftäterin bzw. ein Straftäter wieder rückfällig wird. Das hat direkte Auswirkungen auf alle Betroffenen, beeinflusst die Entscheidung doch ihr Strafmaß.

In den letzten 20 Jahren wurden solche Algorithmen bei mehr als einer Million Angeklagten eingesetzt. Die mit den Algorithmen verbundene Hoffnung waren fairere Entscheidungen (als sie Menschen treffen würden).

Obwohl der Algorithmus keine Information über die ethnische Herkunft der Angeklagten hatte, wurden schwarze bzw. weiße Angeklagte unterschiedlich behandelt. Der Algorithmus ist nicht nur nicht gut, wie Studien zeigen, sondern ist zudem auch nicht fair.

Übrigens: Für die letzten beiden Beispiele gilt: Hier werden häufig Algorithmen aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz verwendet. Wenn Sie mehr dazu erfahren wollen, finden Sie unter aiunplugged.org Anregungen, wie Sie künstliche Intelligenz anhand einfacher, spielerischer Aktivitäten nachvollziehen können. Die Beispiele sind übrigens auch für den Unterrichtseinsatz geeignet.

4.2. Exkurs: Algorithmen in der Grundschule

Auch in der Grundschule lassen sich Algorithmen praktisch ausprobieren. In Ländern wie der Schweiz oder England ist Informatik und damit unter anderem das Thema Algorithmen übrigens bereits Stoff in der Grundschule.

Informatik ohne Computer

CS Unplugged (Computer Science Unplugged, also Informatik ohne Strom) beschreibt einen Ansatz, Informatik ganz ohne Rechnereinsatz anfassbar zu machen. Informatische Konzepte wie Algorithmen werden spielerisch mit Karten, Schnüren oder durch Herumrennen im wahrsten Sinne des Wortes begreifbar.

Ein Beispiel zeigen die Entwickler von CS Unplugged in ihrem Video zu Sortieralgorithmen. Dort haben die Kinder unterschiedlich schwere Gewichte und eine Waage vor sich. Ihre Aufgabe ist es die Objekte möglichst schnell nach Gewicht zu ordnen. Dabei zeigt sich: Mit dem richtigen Algorithmus geht das vergleichsweise flott und es werden deutlich weniger Schritte benötigt.

Hinweis: Es gibt noch viele weitere Ideen zu CS Unplugged, auch zu anderen Themen als Algorithmik. Die Beispiele zeigen, dass auch zunächst "digitale Themen" von einer "ganz analogen" Vermittlung profitieren können.

Programmierbares Spielzeug

Es gibt jede Menge kleiner Roboter, die programmierbar sind und sich in unterschiedlichen Altersstufen einsetzen lassen. Die von der Optik an eine Biene angelehnten BeeBots (siehe Video) lassen sich durch Tasten programmieren, eine Abfolge von Bewegungen durchzuführen. Der Ozobot fährt Linien ab und lässt sich mit Filzstift über Farbcodes (aber auch vom Computer aus) programmieren.

Hinweis: Wir stehen in keiner Weise in Verbindung mit den Herstellern dieser Produkte.  Die Produkte dienen nur als Beispiele für Medien, die bereits jetzt in Grundschulen weltweit eingesetzt werden.

Software

Scratch, das schweizer Taschenmesser unter den Informatikwerkzeugen an Grundschulen, wirkt auf den ersten Blick wie eine einfache Website zum Programmieren lernen. Aber Scratch ist viel mehr: Genau wie Snap! regt es dazu an Dinge auszuprobieren und selbst kreativ zu werden. Dabei gerät auch das eigentliche Programmieren schnell in den Hintergrund.
Anregungen finden Sie beispielsweise hier.

5. Selbsttest

Wofür stellt dieser Block eine abgekürzte Schreibweise dar?

Option A

Option B

Option C

Option D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Literaturempfehlungen

Infos zum Buch:

Ohne Algorithmen wäre der Computer nur "Hardware", ein ziemlich nutzloser Haufen "harten" elektronischen Schrotts. Algorithmen gibt es schon sehr lange und in höchst unterschiedlicher Form. Erste schriftlich dokumentierte Beispiele, wie das babylonische Verfahren zum Wurzelziehen, sind fast 4000 Jahre alt. Genau dasselbe Verfahren wird bis zum heutigen Tage in den modernsten Computern verwendet. Algorithmen begleiten unsere Wissenschafts- und Kulturgeschichte von den Anfängen bis in die Gegenwart. Die Autoren stellen die Algorithmik, d.h. die Lehre von den Algorithmen, in den Kontext der historischen Entwicklung und in den Brennpunkt der Diskussion um die Rolle des Computers in unserer Zeit. Sie behandeln grundlegende philosophische und wissenschaftstheoretische Fragen in einer untechnischen, auch für Nicht-Spezialisten verständlichen Sprache.

Das Informatik-Spektrum ist eine Zeitschriftenreihe der Gesellschaft für Informatik, die aktuelle und häufig praktische Berichte über technische und wissenschaftliche Fortschritte aus allen Bereichen der Informatik und ihrer Anwendungen in Form enthält. Leser haben nicht nur die Möglichkeit sich in neue Sachgebiete einzuarbeiten, sondern auch um sich einen Überblick zu verschaffen. Zielgruppe sind nicht nur ausgebildete Informatikerinnen und Informatiker, sondern ebenso Interessierte, die die wissenschaftlichen Entwicklung der Informatik verfolgen wollen und Studierende, die Einblick in Aufgaben und Probleme der Praxis suchen. 

7. Ende Modul 05