2.1.2 Mit verschiedenen Arten der Codierung und ihren inhärenten Grenzen experimentieren (z.B. Umwandlung in verschiedene Zahlensysteme, Komprimierung und Dekomprimierung)
Unterrichtsmaterial zum Lernziel: Die Maturandinnen und Maturanden können mit verschiedenen Arten der Codierung und ihren inhärenten Grenzen experimentieren (z.B. Umwandlung in verschiedene Zahlensysteme, Komprimierung und Dekomprimierung).
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.
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.
Zeichen und Buchstaben binär darstellen
Die Schüler lernen in dieser Unterrichtseinheit, wie Buchstaben und Text mithilfe von Dezimalzahlen und binären Einheiten dargestellt werden. Sie entwickeln eigene Kodierungssysteme und untersuchen dabei Konzepte wie exponentielles Wachstum, Abstraktion und algorithmisches Denken.
Intermezzo: The Nature of Numbers (Fixed-Size Arithmetic, Overflow & Underflow)
Dieses Lehrmaterial behandelt die Darstellung von Zahlen in Programmiersprachen und der zugrundeliegenden Hardware. Es erklärt Konzepte wie feste Wortbreiten, Gleitkommadarstellungen, Rundungsfehler sowie die Probleme von Arithmetik-Überläufen (Overflow) und -Unterläufen (Underflow) anhand praktischer Programmierbeispiele.
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.
Digitale Repräsentation von Grafiken und Bildern
Das Unterrichtsmaterial erklärt anhand des Beispiels von Schwarz-Weiss-Grafiken und Faxgeräten, wie Bilder mithilfe von Pixeln und der Lauflängencodierung digitalisiert und komprimiert werden können. Es enthält anschauliche Kopiervorlagen für praktische Dekodierungsübungen sowie Hintergrundinformationen zu gängigen Bildformaten.
Binärzahlen und Dualsystem entdecken
Das Material führt Schülerinnen und Schüler spielerisch und mit haptischen Hilfsmitteln in die Darstellung von Zahlen im Dualsystem ein. Es basiert auf dem bekannten 'Computer Science Unplugged'-Ansatz und lässt Lernende die Informationsspeicherung durch das Umdrehen von Karten oder Zählen mit Fingern entdecken.
Binäres Zahlenraten als Aktivität im Klassenzimmer
Ein interaktives, unplugged Lernspiel für Schülerinnen und Schüler, bei dem Zahlen von 0 bis 15 im Klassenverband mithilfe von physischen Bit-Karten binär dargestellt werden. Das Spiel fördert das Verständnis von Zahlensystemen und Datenrepräsentation durch körperliche Aktivität und Wettkampf.
Textcodierung und ASCII-Unicode: Arbeitsblätter und Unterrichtsablauf
Dieses Unterrichtsmaterial bietet einen strukturierten Ablauf und verschiedene Arbeitsblätter zur Einführung in die Textcodierung, das Binärsystem sowie ASCII und Unicode. Es stehen verschiedene Varianten für Gruppen- und Einzelarbeit mit dazugehörigen Lösungen zur Verfügung.
Einführung in Binärzahlen mit Punktekarten
Ein haptisches und analoges Unterrichtsmaterial, bei dem Schülerinnen und Schüler mithilfe von umdrehbaren Punktekarten das Binärsystem, die Darstellung von Zahlen und Multiplikationsregeln entdecken.
Arbeitsblatt zu Huffman-Codierung
Ein praxisorientiertes Arbeitsblatt, bei dem Schülerinnen und Schüler Bitfolgen mithilfe vorgegebener Codebäume decodieren sowie eigene Huffman-Bäume für Wörter wie «MISSISSIPPI» erstellen und codieren.
Buchstabenhäufigkeit, Informationsgehalt und Huffman-Codierung
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt die Buchstabenhäufigkeit in Texten, den Informationsgehalt einzelner Zeichen sowie das Konzept der Redundanz. Anhand von Beispielen und Experimenten wird die Huffman-Codierung zur Datenkompression eingeführt und praktisch angewendet.
Huffman-Codierung: Grundlagen und Konstruktion von Codebäumen
Das Lehrmittel erklärt die Funktionsweise und den Algorithmus der Huffman-Codierung zur verlustfreien Datenkompression anhand eines konkreten Beispiels. Es zeigt Schritt für Schritt, wie Häufigkeitstabellen erstellt, Codebäume konstruiert und Codierungstabellen abgelesen werden.
Aufgaben zu Bilddateien, Komprimierung und JPEG-Format
Ein praxisorientiertes Unterrichtsmaterial mit Aufgaben zur Bildbearbeitung, Speicherplatzberechnung unkomprimierter Rastergrafiken und der Komprimierung in JPEG- sowie PNG-Formate mithilfe von Affinity Photo.
Dateiformate und Datenrepräsentation
Der Text erklärt grundlegende Konzepte der Datenrepräsentation am Beispiel von Dateien und Dateiformaten. Er behandelt die binäre Natur von Dateien sowie drei Ansätze zur Erkennung von Codierungen: Dateiendungen, magische Bytes und Internet Media Types (MIME-Types).
Rastergrafiken und Farbmodelle
Das Material erklärt anschaulich die Funktionsweise von Rastergrafiken und verschiedenen Farbmodellen wie RGB, RGBA und CMYK. Zudem werden Themen wie Farbtiefe und die Umrechnung zwischen den Farbräumen behandelt.
Rastergrafiken und Pixelbilder
Dieses Unterrichtsmaterial führt in das Konzept von Rastergrafiken und Pixelbildern ein. Es behandelt Schwarz-Weiss-Bilder, Graustufenbilder im PGM-Format, das RGB-Farbmodell sowie die Berechnung der benötigten Datenmenge.
Textcodierung von Brailleschrift bis Unicode
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt verschiedene Methoden zur Textcodierung, darunter Brailleschrift, Pentacode, ASCII und Unicode. Es enthält Erklärungen sowie eine praktische Übung zum Überprüfen von UTF-8-Bits und ein Arbeitsblatt.
Arbeitsblatt Codierung und binäre Darstellung
Dieses Arbeitsblatt enthält Lösungen und Knobelaufgaben zu verschiedenen Codierungsverfahren, darunter ein binärer Code, Gebärdensprachen, erweiterter ACINT-Code sowie ASCII-Binärcodes. Die Schülerinnen und Schüler befassen sich praxisnah mit der Darstellung und Umwandlung von Informationen.
Unicode und UTF-8 Codierung praktisch untersuchen
Eine praktische Übung, bei der Schülerinnen und Schüler eine Textdatei mit Umlauten und Emojis erstellen und deren Byteräsentation mittels eines Hex-Editors analysieren, um die UTF-8-Codierung zu verstehen.
Unicode und UTF-8 Codierung
Der Text erklärt anschaulich die Funktionsweise von Unicode und der variablen UTF-8-Codierung zur Darstellung von Zeichen und Emojis in Bits. Anhand von Beispielen und Tabellen werden Codierungsprozesse, Bitmuster und die Rückwärtskompatibilität zu ASCII erläutert.
Die Brailleschrift als Beispiel für Datenrepräsentation
Das Material erklärt anhand der Brailleschrift, wie Informationen und Zeichen in Punktmuster und feste Bitfolgen (Codierung) übersetzt werden. Dabei werden auch Konzepte wie Escape-Zeichen und Präfixe für die Unterscheidung von Zahlen und Grossbuchstaben erläutert.
Das Binärsystem und Zahlensystemumrechnungen
Dieses Unterrichtsmaterial erklärt die Grundlagen des Binärsystems und vergleicht es mit dem Dezimalsystem. Es zeigt anhand von Beispielen und interaktiven Tools, wie man Zahlen zwischen dem Binär- und dem Dezimalsystem umrechnet.
Advent of Code: Signals and Noise
Eine Programmieraufgabe zur Fehlerkorrektur von wiederholten Signalen, bei der das häufigste Zeichen pro Spalte ermittelt werden muss, um eine korrumpierte Nachricht zu rekonstruieren.
Advent of Code: Explosives in Cyberspace (Datenkompression)
Eine programmierbasierte Programmieraufgabe (im Stil von Advent of Code), bei der ein experimentelles Komprimierungsformat analysiert und implementiert werden muss. Lernende entwerfen einen Algorithmus zur Dekomprimierung von Zeichenketten gemäss spezifischen Regeln.
Disk Defragmentation (Advent of Code)
Eine Programmieraufgabe im Rahmen von Advent of Code, bei der ein 128x128-Gitter basierend auf Knot-Hashes analysiert und belegt werden muss. Die Schülerinnen und Schüler wenden algorithmische Problemlösung an, indem sie Datenstrukturen parsen und auswerten.
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: 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.
Binary Boarding (Advent of Code)
Eine programmierbasierte Programmieraufgabe zur binären Raumaufteilung und Dekodierung von Sitzplätzen in einem Flugzeug. Lernende können diesen Algorithmus in einer beliebigen Programmiersprache implementieren, um eine spezifische Datenmenge auszuwerten.
Advent of Code: Packet Decoder
Eine Programmieraufgabe zur bitweisen Dekodierung einer hierarchischen Datenstruktur, bei der Hexadezimalzahlen in Binärdaten umgewandelt und verschachtelte Pakete analysiert werden. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei, komplexe Protokolle zu parsen und Datenstrukturen algorithmisch zu verarbeiten.
AOC 2021 Day 3: Binary Diagnostic
Eine Programmieraufgabe zur Verarbeitung von Binärzahlen und Bit-Manipulationen, basierend auf dem Advent of Code 2021. Die Lernenden müssen aus einer Liste von Binärzahlen die Gamma- und Epsilon-Rate ermitteln und daraus den Energieverbrauch berechnen.
Codierung von Worten in QR-Codes
Das Unterrichtsmaterial erklärt anhand eines Beispiels, wie Wörter mithilfe von ASCII- und Binärcodierung in vereinfachte QR-Codes umgewandelt werden. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei den Aufbau von QR-Codes kennen und wenden das Codierungsprinzip in praktischen Aufgaben an.
Aufbau und Funktionsweise von QR-Codes
Dieses Unterrichtsmaterial behandelt die grundlegenden Eigenschaften und den strukturellen Aufbau von QR-Codes. Die Schülerinnen und Schüler lernen die verschiedenen Elemente eines QR-Codes kennen und entwerfen im Anschluss einfache QR-Codes selbst.
Einstieg Barcodes
Dieses Unterrichtsmaterial führt anhand von alltäglichen Beispielen wie Büchern und GTIN-Barcodes in die binäre Codierung von Zahlen ein. Die Lernenden untersuchen interaktiv an einem Beispiel, wie Ziffern in Strichcodes umgewandelt werden.
Übungen - Blick hinter die Kulissen: Datenformate von Text- und Grafikdateien
Anhand von konkreten Beispielen zu OpenOffice-Textdokumenten und GeoGebra-Dateien untersuchen die Lernenden verschiedene Dateiformate und deren zugrundeliegende XML- oder Tag-basierte Strukturen durch Betrachten mit Texteditoren und Entpacken.
Magst du die programmierte Farbwelt? - Eigene Farben in PyTamaro
Dieses Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler in die programmierbasierte Erstellung eigener Farben mit der Bibliothek PyTamaro ein. Dabei werden grundlegende Konzepte wie additive und subtraktive Farbmischung (RGB, CMY) sowie Farbräume wie HSV praktisch und anhand von Programmierbeispielen erarbeitet.
Barcode Generator in Python
Das Material führt anhand des GTIN-12-Standards und von Barcodes in die Datenrepräsentation ein und lässt Lernende mithilfe von Python (PyTamaro) eine Funktion zur visuellen Erstellung von Barcodes programmieren.
Binärzahlen mit Karten in Scratch darstellen
Eine Programmieraufgabe für Scratch, bei der eine Sequenz von schwarz-weißen Karten als Binärzahl eingepackt und in eine Dezimalzahl umgerechnet wird. Lernende verwenden Variablen, Schleifen und Bedingungen, um die Eingabe zeichenweise zu verarbeiten.
Dezimal- zu Binaerkonvertierung mit Scratch
Eine Programmieraufgabe fuer Scratch, bei der eine Dezimalzahl vom Benutzer eingelesen und algorithmisch in eine Binaerdarstellung umgewandelt wird. Das Material beinhaltet Testbeispiele, Hinweise zur Umsetzung und Code-Fragmente.
Dezimalzahlen in Binärzahlen umwandeln mit Scratch
Eine Programmieraufgabe für Scratch, bei der Lernende ein Programm erstellen, das Dezimalzahlen in Binärzahlen umrechnet. Das Material enthält Testbeispiele, Blöcke und detaillierte Hinweise zur Umsetzung mit Variablen und Schleifen.
Dezimalzahlen in Binärzahlen mit Musik umwandeln in Scratch
Eine Programmieraufgabe für Scratch, bei der eine eingegebene Dezimalzahl zwischen 0 und 31 in ihre Binärdarstellung umgewandelt und als Tonfolge (hohe und tiefe Noten) ausgegeben wird. Das Material beinhaltet Testbeispiele, Blöcke und detaillierte Hinweise zur Umsetzung.
Binärzahlen-Karten in Scratch programmieren
Eine Programmieraufgabe für Scratch, bei der Dezimalzahlen in ihre binäre Darstellung mithilfe von binären Karten übersetzt werden. Lernende implementieren Schleifen, Bedingungen und Variablen zur Umsetzung des Algorithmus.
Binärkarten-Programm in Scratch
Dieses Unterrichtsmaterial enthält eine Programmieraufgabe für Scratch, bei der eine Dezimalzahl zwischen 0 und 31 in eine Binärdarstellung mit schwarzen und weissen Karten umgewandelt wird. Die Lernenden implementieren und testen die Logik anhand konkreter Beispiele und Randwerte.
Bits zur Darstellung von Zahlen berechnen in Scratch
Eine Programmieraufgabe für Scratch, bei der Lernende ein Programm erstellen, das berechnet, wie viele Bits zur Darstellung einer eingegebenen Anzahl von Punkten benötigt werden. Dabei wird algorithmisches Denken und die Verwendung von Variablen sowie Schleifen geübt.
Pixel-Bilder und Datenkompression (Run-Length Encoding)
Dieses Unterrichtsmaterial führt spielerisch und ohne Computer in das Konzept der Datenkompression anhand von Run-Length Encoding (RLE) für einfache Schwarz-Weiß-Bilder ein. Schülerinnen und Schüler lernen, wie Bilddaten durch Zählen von Pixeln effizienter dargestellt und übertragen werden können.
Wie Computer Buchstaben speichern: Binärcodierung von Text
Dieses unplugged Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler spielerisch an die Repräsentation von Text und Buchstaben als Binärzahlen heran. Es behandelt Themen wie Bit-Grössen, Zeichensätze (wie ASCII und Unicode) und exponentielles Wachstum anhand praktischer Codierungs- und Decodierungsaufgaben.
Binary Numbers Video Challenge
In dieser Unterrichtsstunde erstellen Schülerinnen und Schüler innerhalb einer Stunde kreative Videos, um das binäre Zahlensystem und die Darstellung von Zahlen mit physischen Objekten zu erklären. Anschliessend reflektieren und evaluieren sie die entstandenen Videos gegenseitig hinsichtlich möglicher Missverständnisse.
Binäres Zählen durch Rollenspiele und darstellendes Spiel vermitteln
Dieses Unterrichtsmaterial beschreibt eine anschauliche Aktivität ohne Computer, bei der Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen das binäre Zahlensystem und Stellenwerte durch kreative Rollenspiele und alternative physische Repräsentationen (Zustände an/aus) erarbeiten.
Pixel-Bilder und Run-Length-Codierung
Dieses unplugged Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler anhand von Rasterzeichnungen in die pixelbasierte Bilddarstellung und die verlustfreie Kompressionsmethode der Run-Length-Codierung ein.
Informationsgehalt und Kompression durch Raten
Dieses unplugged Unterrichtsmaterial führt spielerisch in den Begriff des Informationsgehalts und der Datenkompression ein, indem Schülerinnen und Schüler nacheinander Buchstaben eines geheim gehaltenen Textes erraten. Dabei wird experimentell erarbeitet, wie Überraschung und Vorhersagbarkeit den Informationsgehalt definieren.