1.1.2 Algorithmen anwenden und entwickeln
Unterrichtsmaterial zum Lernziel: Die Maturandinnen und Maturanden können Algorithmen anwenden und entwickeln.
Das binäre Zahlensystem und Bit-Karten
Eine praxisnahe Unterrichtseinheit zum binären Zahlensystem, bei der Schülerinnen und Schüler mithilfe von Punktkarten (Bits) spielerisch das Zählen, die Kodierung und Algorithmen zur Umwandlung von Dezimalzahlen erarbeiten. Dabei werden zentrale Konzepte des Computational Thinking wie Abstraktion, Mustererkennung und Algorithmen verständlich vermittelt.
Lesson 3: Conditions (if, then, else) in Python
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Grundlagen von Verzweigungen (if-elif-else) in Python ein. Es erklärt Syntax, Einrückungen, Vergleichsoperatoren, boolesche Werte sowie logische Operatoren anhand praktischer Code-Beispiele.
DynaTraffic: Einstiegs-, Fortgeschrittene und Weiterführende Aufgaben
Umfassendes Aufgabenblatt zur Simulation von Markov-Ketten und dynamischen Systemen mit dem Programm DynaTraffic. Die Schülerinnen und Schüler analysieren Übergangswahrscheinlichkeiten, stationäre sowie periodische Zustände und das Verhalten von Verkehrssystemen.
Simulationen: Game of Life
Dieses Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler anhand des berühmten 'Game of Life' von John Conway in das Konzept von Simulationen, Verhaltensregeln und Populationsentwicklungen ein. Die Lernenden experimentieren mit verschiedenen Startmustern im Webbrowser, dokumentieren ihre Beobachtungen und präsentieren ihre Erkenntnisse in der Gruppe.
MultiKara: Programmieren lernen mit Objekten und Robotern
MultiKara ist eine erweiterte Java-Lernumgebung (basierend auf dem bekannten Kara-Robotersystem), die spielerisch die objektorientierte Programmierung vermittelt. Lernende steuern Marienkäfer durch verschiedene Aufgabenwelten und lernen dabei Algorithmen, Kontrollstrukturen und objektorientierte Konzepte anzuwenden.
Ein Kartentrick – was steckt dahinter? Unterrichtseinheit zur algorithmischen Problemlösung
Diese Unterrichtseinheit für das Gymnasium untersucht einen klassischen Kartentrick aus mathematischer und informatorischer Sicht. Die Lernenden erlernen den Trick, nutzen ein Java-basiertes Simulationsprogramm zum Experimentieren und analysieren die zugrundeliegenden Codierungs- und Problemlösungsprinzipien.
Das Monty-Hall-Problem
Das Material stellt das berühmte Ziegenproblem anschaulich vor, erklärt die mathematische Logik dahinter mit Tabellen und intuitiven Beispielen und fordert die Lernenden auf, die Strategie durch eine Computersimulation in Python zu überprüfen.
Advent of Code: Monster Messages (Formale Grammatiken und Parsing)
In dieser Programmieraufgabe sollen Nachrichten anhand einer kontextfreien Grammatik validiert werden. Das Material eignet sich hervorragend, um fortgeschrittene Programmierkonzepte sowie theoretische Grundlagen wie formale Sprachen und Grammatiken praktisch anzuwenden.
Parallel Sorting Networks Unterrichtseinheit
Dieses Unterrichtsmaterial beschreibt eine anschauliche, körperliche Aktivität zur Erkundung von parallelen Algorithmen und Sortiernetzwerken. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei spielerisch und ohne Computer, wie durch gleichzeitige Vergleiche von Werten die Effizienz von Datenverarbeitung gesteigert werden kann.
Rocket to Mars: Algorithmen und Debugging (CS Unplugged)
Dieses Unterrichtsmaterial führt spielerisch und ohne Computer (Unplugged) in grundlegende Konzepte der Programmierung ein. Die Lernenden schlüpfen in die Rollen von Entwicklern, Testern und Robotern, um einen Roboter über ein Raster zu navigieren, Sequenzen zu erstellen und Fehler systematisch zu debuggen.
Little Red Riding Hood Algorithmen und Debugging (CS Unplugged)
Dieses praxisnahe Unterrichtsmaterial vermittelt spielerisch und ohne Computer (Unplugged) grundlegende Konzepte der Programmierung, des Testens und des Debuggings. Anhand eines physischen Rasters und Rollenspielen (Programmierer, Tester, Roboter) lernen die Schülerinnen und Schüler, Algorithmen zu erstellen, Fehler zu identifizieren und inkrementell vorzugehen.
How to Design Programs: Arithmetic, Functions and Programs
Dieses Lehrmittel führt grundlegend in die Programmierung mit Racket (BSL) ein. Es behandelt elementare Datentypen, Ausdrücke, Funktionsdefinitionen und das Entwerfen von Programmen anhand praktischer Beispiele wie der Berechnung von Kino-Gewinnen.
Prüfung Programming, Automation, Computation
Eine schriftliche Informatikprüfung für Gymnasien, die praxisnahe Aufgaben zu den Themenbereichen Programmierung (Visualisierung mit Google Code Playground), Automatentheorie (KARA und Mustererkennung) sowie Projektmanagement (Marshmallow Challenge) abdeckt.
Russische Bauern-Multiplikation
Dieses Unterrichtsmaterial stellt die historische Methode der russischen Bauern-Multiplikation vor und verknüpft sie mit binären Zahlen sowie computerarithmetischen Konzepten. Es enthält ausführliche Arbeitsaufträge, Theorieblöcke, Lösungen und Aufgaben zur Vertiefung.
Backtracking mit Heuristiken
Dieses Unterrichtsmaterial führt anhand eines alltäglichen Beispiels (Websuchen) in das Konzept des Backtrackings ein und vertieft das Thema mit Algorithmen, Laufzeitbetrachtungen und Anwendungsbeispielen wie Labyrinthen und Springerwegen. Dabei werden auch Heuristiken zur Optimierung der Suche, insbesondere die Warnsdorf-Heuristik, besprochen.
Heiratsproblem - Gruppenarbeit Algorithmus
In diesem Arbeitsblatt vollziehen Schülerinnen und Schüler in Gruppenarbeit einen komplexen Algorithmus zur Lösung des stabilen Heiratsproblems manuell nach. Dabei werden Variablen, Bedingungen und Schritt-für-Schritt-Ausführungen anschaulich durchgespielt.
Turing Kara - Lernumgebung zu Turingmaschinen und Algorithmen
Diese interaktive Programmierumgebung (Turing Kara) lässt Lernende den Begriff des Algorithmus und Turingmaschinen spielerisch und praxisnah erarbeiten. Anhand verschiedener Aufgaben wie binärer Addition, Palindromprüfung oder Backtracking schreiben und testen sie schrittweise Befehlsfolgen. Das Material vermittelt fundamentale Konzepte der theoretischen Informatik und des algorithmischen Denkens auf anschauliche Art.
Kara – Programmieren lernen mit der programmierbaren Marienkäfer-Welt
Dieses Materialpaket zum Lernprogramm 'Kara' führt spielerisch in die Grundlagen der Programmierung ein. Schülerinnen und Schüler lernen, den Marienkäfer durch das Ausführen von Befehlssequenzen und das Erstellen eigener Programme (z.B. in Java oder via grafischer Programmierung) über das Spielfeld zu steuern.
Turing-Maschinen
Das Unterrichtsmaterial führt in das Konzept der Turing-Maschine ein, erläutert deren Aufbau sowie Funktionsweise anhand von Beispielen und zeigt Bezüge zur theoretischen Informatik sowie zu Python auf.
Labyrinth und Tiefensuche
Dieses Unterrichtsmaterial führt spielerisch und handorientiert in das Konzept der Tiefensuche sowie des Backtrackings ein. Anhand von Labyrinthen, Rollenspielen und analogen Modellen wie der Lochblende erarbeiten sich die Lernenden algorithmische Problemlösungsstrategien.
Entscheidungsketten mit if ... elif ... else in Python
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt anschaulich den Unterschied zwischen unabhängigen if-Bedingungen und verknüpften if-elif-else-Ketten in Python. Anhand von Beispielen wie einer Bug-Hunt-Aufgabe und Notenberechnungen lernen die Schülerinnen und Schüler, Bedingungen strukturiert und in der richtigen Reihenfolge zu formulieren.
Aufgaben zum Thema Flussdiagramme
Dieses Unterrichtsmaterial bietet praktische Aufgaben zur Erstellung von Flussdiagrammen anhand alltäglicher Abläufe und Rezepte. Die Lernenden üben dabei die korrekte grafische Darstellung von Aktionen, Entscheidungen und Unterprogrammen.
Einführung in die For-Schleife in Python
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Syntax und Funktionsweise von For-Schleifen in Python anhand von Beispielen wie Summenbildung, Listenverständnissen und Textdiagrammen. Es enthält zudem praktische Programmieraufgaben inklusive Musterlösungen und eine Zusatzaufgabe.
Einführung in Kara den Marienkäfer
Dieses Unterrichtsmaterial führt in die Programmierumgebung von Kara dem Marienkäfer ein, welcher als endlicher Automat grafisch programmiert werden kann. Es enthält Installationshinweise, eine Kurzanleitung zur Bedienung und verweist auf integrierte Programmieraufgaben.
Advent of Code: Opening the Turing Lock (Assembler-Simulation)
Eine Programmieraufgabe, bei der ein einfacher, fiktiver Prozessor mit Registern und Assembler-ähnlichen Befehlen (inklusive bedingten und unbedingten Sprüngen) analysiert und simuliert werden muss.
AOC 2016 Day 20: Firewall Rules
Eine Programmieraufgabe im Stil von Advent of Code, bei der IP-Adressbereiche verarbeitet werden müssen, um erlaubte IP-Adressen zu ermitteln. Die Lernenden müssen Algorithmen entwickeln und anwenden, um Bereichslisten zu analysieren und das Problem effizient zu lösen.
Advent of Code: Scrambled Letters and Hash
Eine Programmieraufgabe zur Manipulation von Zeichenketten anhand einer Reihe vorgegebener Operationen wie Tauschen, Rotieren und Umkehren. Lernende müssen einen Algorithmus implementieren, der diese Texttransformationen schrittweise auf ein Passwort anwendet.
A Maze of Twisty Trampolines (Algorithmen und Sprungbefehle)
Eine klassische Programmieraufgabe, bei der eine Liste von relativen Sprung-Offsets verarbeitet und modifiziert werden muss, bis der Ausgang erreicht ist. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei, iterative Algorithmen zur Simulation von Zustandsänderungen in Datenstrukturen zu entwerfen und zu implementieren.
Advent of Code: Register Instructions
Eine Programmieraufgabe, bei der eine Reihe von Befehlen zur Modifikation von Registern unter bestimmten Bedingungen verarbeitet werden muss. Das Material eignet sich hervorragend zur praktischen Anwendung von Kontrollstrukturen und der Verarbeitung von Befehlssequenzen.
Advent of Code: Knot Hash
Dieses Programmier-Puzzle beschreibt einen Algorithmus zur Simulation einer speziellen Hash-Funktion mit einer zirkulären Liste. Lernende müssen die vorgegebenen Schritte zur Manipulation der Daten implementieren und nachvollziehen.
Advent of Code: Packet Scanners
Eine Programmieraufgabe, bei der eine Firewall mit sich bewegenden Sicherheitscannern simuliert werden muss, um den Schaden bzw. die Schwere eines Durchgangs zu berechnen.
Advent of Code 2017: Dueling Generators
Eine Programmieraufgabe, bei der zwei Zufallszahlengeneratoren nach bestimmten mathematischen Regeln implementiert und deren generierte Werte bitweise verglichen werden müssen. Dies fördert das Verständnis von Algorithmen und binären Daten.
Advent of Code: Assembly-Interpreter (Duet)
Eine Programmieraufgabe im Rahmen des Advent of Code, bei der ein kleiner Assembler-Interpreter für Register und Instruktionen entwickelt werden muss. Die Lernenden analysieren eine unbekannte Befehlssatzarchitektur und implementieren die Logik, um Programme auszuführen.
Sporifica Virus (Advent of Code)
Eine Programmieraufgabe im Rahmen des Advent of Code, bei der die Simulation eines sich bewegenden Virus auf einem unendlichen 2D-Gitter implementiert werden muss. Die Lernenden wenden grundlegende Programmierkonzepte wie Zustandsspeicherung, Schleifen und Richtungslogik an.
Advent of Code - Tag 1: Chronal Calibration
Eine Programmieraufgabe im Rahmen des Advent of Code, bei der eine Sequenz von Zahlen mit Vorzeichen eingelesen und aufsummiert werden muss. Dies fördert das algorithmische Denken und die praktische Anwendung von Programmierkonzepten.
Advent of Code: Subterranean Sustainability (Zellautomat)
Eine Programmieraufgabe im Stil von Advent of Code, bei der die zeitliche Entwicklung eines eindimensionalen zellulären Automaten über mehrere Generationen hinweg simuliert werden muss.
Advent of Code: Mine Cart Madness
Eine Programmieraufgabe zur Simulation sich bewegender Loren auf einem komplexen Schienensystem, bei der Kollisionen und Wegfindungsregeln implementiert werden müssen.
Advent of Code: Intcode Computer Simulation (Tag 2)
In diesem Programmier-Puzzle wird ein virtueller Computer ('Intcode') modelliert, dessen Befehle und Speicher in Form von ganzen Zahlen vorliegen. Die Lernenden implementieren Opcode-Logik für Addition und Multiplikation sowie die schrittweise Ausführung von Programmen.
Advent of Code: Amplification Circuit
Eine Programmieraufgabe, bei der eine Reihe von Verstärkern durch Simulation von Intcode-Programmen und Permutation von Phaseneinstellungen koordiniert werden muss, um ein optimales Signal zu berechnen. Das Material fördert algorithmisches Denken und die praktische Problemlösung durch Code.
Advent of Code: Flawed Frequency Transmission
Eine algorithmische Programmieraufgabe, bei der eine digitale Signalverarbeitung (FFT) in mehreren Phasen implementiert und simuliert werden muss. Lernende wenden dabei Logik, Arrays und mathematische Muster an.
Advent of Code: Springdroid Adventure
Eine Programmieraufgabe, bei der eine Robotersteuerung (Springdroid) mittels einer minimalistischen Assemblersprache (Springscript) und boolescher Logik implementiert werden muss, um Hindernisse zu überwinden. Die Lernenden müssen algorithmisch über Bedingungen nachdenken und Programme mit begrenzten Instruktionen entwerfen.
Advent of Code: Slam Shuffle
Eine Programmieraufgabe, bei der verschiedene Kartenschleif-Techniken wie Mischen und Schneiden simuliert und auf eine grosse Kartenanzahl angewendet werden müssen. Die Lernenden implementieren algorithmische Abläufe, um den Zustand eines Arrays oder einer Liste nach mehreren Operationen zu bestimmen.
Advent of Code: Crab Combat
Eine Programmieraufgabe im Rahmen von Advent of Code, bei der ein Kartenspiel simuliert und das Gewinnerdeck nach bestimmten Regeln ausgewertet werden muss. Das Material eignet sich hervorragend als Programmierübung zur Implementierung von Simulationen und Logik.
Advent of Code: Docking Data
Eine Programmieraufgabe im Rahmen des Advent of Code, bei der ein bitweises Maskierungssystem für Speicheroperationen implementiert werden muss. Lernende setzen dabei bitweise Operationen und Algorithmen praktisch um.
Advent of Code: Rambunctious Recitation
Eine Programmieraufgabe im Rahmen des Advent of Code, bei der ein algorithmisches Gedächtnisspiel simuliert und das Resultat nach einer grossen Anzahl Runden berechnet werden muss. Die Lernenden müssen die Regeln verstehen und in Code umsetzen, um effizient das 2020. gesprochene Wort zu ermitteln.
Advent of Code: Operation Order
Ein Programmier- und Logikrätsel, bei dem mathematische Ausdrücke mit veränderten Operator-Präzedenzregeln und Klammern ausgewertet werden müssen. Die Lernenden analysieren algorithmische Vorschriften und setzen diese in Programmierlogik um.
Advent of Code: Toboggan Trajectory
Eine Programmieraufgabe, bei der eine sich wiederholende Karte im Raster (ein wiederholtes Muster von Bäumen) analysiert werden muss, um Kollisionen entlang einer bestimmten Hangneigung zu zählen.
Advent of Code: Password Philosophy
Eine Programmieraufgabe, bei der eine Liste von Passwörtern und Richtlinien auf ihre Gültigkeit überprüft werden muss. Die Schülerinnen und Schüler analysieren Zeichenketten und wenden Bedingungen an, um die Anzahl gültiger Passwörter zu bestimmen.
Arithmetic Logic Unit (ALU-Simulation)
Das Material beschreibt eine virtuelle ALU (Arithmetic Logic Unit) mit Registern und spezifischen Befehlen zur Verarbeitung von Eingabedaten. Lernende müssen die Funktionsweise von sequenziellen Programmen und Berechnungen nachvollziehen, um eine komplexe Problemstellung (Modellnummern-Prüfung) zu lösen.
Advent of Code: Dirac Dice
Eine Programmieraufgabe aus dem Advent of Code, bei der ein Würfelspiel simuliert und ausgewertet werden muss. Schülerinnen und Schüler können dabei algorithmisches Denken und Problemlösungskompetenzen anwenden.