Iteration is human, recursion is divine!

Zentrum für schulpraktische Lehrerausbildung Bocholt
Seminar für das Lehramt an Gymnasien und Gesamtschulen
„Iteration is human, recursion is divine!” Darstellung eines rekursiven Algorithmus in einem
Sequenzdiagramm mit Hilfe eines Rollenspiels
Entwurf zum fünften Unterrichtsbesuch im Fach Informatik
Ausbildungsschule:
Städtisches Ganztagsgymnasium Nepomucenum
Holtwicker Straße 8
48653 Coesfeld
Datum:
Freitag, 09.12.2016
Lerngruppe:
Grundkurs Qualifikationsphase (Q1)
Anzahl der SuS:
24 (21 Schüler, 3 Schülerinnen)
Zeit, Raum:
4. Stunde (10:45 – 11:30 Uhr), Raum 235
Referendar:
Julian Hundt
Ausbildungslehrer:
Ausbildungsbeauftragte(r):
Schulleiterin:
Fachleiter:
Kernseminarleiter:
1 Längerfristige Unterrichtszusammenhänge
1.1 Thema des Unterrichtsvorhabens
„Vom Array zur Schlange“ – Wie Daten mit Hilfe dynamischer Strukturen flexibler und
effizienter verwaltet werden können.
1.2 Schwerpunktlernziel des Unterrichtsvorhabens
Die Schülerinnen und Schüler1 erweitern im Laufe des Unterrichtsvorhabens unterschiedliche
Kompetenzbereiche. Konzeptuell steht die Erweiterung der aus der Einführungsphase
bekannten statischen Datenstruktur des Feldes (Array) auf dynamische Strukturen wie
Schlange, Stapel und lineare Listen im Fokus. Durch die Ermittlung von Objekten,
Eigenschaften und Operationen vertiefen die SuS ihre Modellierungskompetenzen.
Modellbildungs- und Implementierungsphasen wechseln einander ab und führen zu einer
Vertiefung der selben Kompetenzbereiche. Darstellungsfähigkeiten werden gezielt trainiert,
wenn die Interobjektkommunikation mit Hilfe von Diagrammen visualisiert wird. Insbesondere
die Darstellung von iterativen und rekursiven Algorithmen auf den modellierten
Datenstrukturen bildet ein Schwerpunkt des Unterrichtsvorhabens.
1.3 Lehrplanbezug
1.3.1 Schulinternes Curriculum [1]
Das schulinterne Curriculum sieht für die erste Qualifikationsphase (Q1) fünf
Unterrichtsvorhaben vor. Im zweiten steht die „Modellierung und Implementierung von
Anwendungen mit dynamischen, linearen Datenstrukturen“ (vgl. [1]) im Fokus. SuS sollen in
der Auseinandersetzung mit Problemen und Kontexten ihre Kompetenzen im Bereich des
Argumentierens und Modellierens vertiefen, indem sie u.a. „Algorithmen und Programme
analysieren und Klassen mit Attributen modellieren“ (ebd.). Darstellungsfähigkeiten werden
gezielt gefördert, indem Klassen und Beziehungen sowie die Interobjektkommunikation mit
Hilfe informatischer Diagramme visualisiert werden.
Auf der inhaltlichen Ebene werden die Datenstrukturen Schlange, Stapel und lineare Liste in
unterschiedlichen Anwendungsfällen untersucht. Abschließend werden die Datenstrukturen
in mindestens einem weiteren Kontext vertiefend angewandt.
Als didaktische Entwicklungsumgebung wird BlueJ und der Java-Editor parallel verwendet, um
die im jeweiligen Anwendungszweck liegenden Vorteile der unterschiedlichen Umgebungen
zu nutzen.
1.3.2 Kernlehrplan (KLP GOSt [2])
Das Unterrichtsvorhaben ist in Anlehnung an den Kernlehrplan Informatik geplant.
Schwerpunkte liegen in den Inhaltsfeldern Daten und ihre Strukturierung sowie Algorithmen.
Prozessbezogene Schwerpunkte können nicht definiert werden, da im Laufe des
Unterrichtsvorhabens eine Bandbreite der Kompetenzbereiche abgedeckt werden.
Tabellarisch werden auf der folgenden Seite die für die zweite Sequenz zu erwerbenden, bzw.
vertiefenden Kompetenzen, inhalts- bzw. prozessbezogen unterteilt, dargestellt:
1
aus Gründen der Lesbarkeit im Folgenden mit SuS abgekürzt.
1
Inhaltsbezogen
Daten und ihre
Strukturierung:
Objekte und
Klassen
Algorithmen:
Analyse, Entwurf
und
Implementierung
von Algorithmen
Algorithmen in
ausgewählten
informatischen
Kontexten
Kompetenzerwartungen
Prozessbezogen (Die SuS…)
Darstellen:
…stellen die Kommunikation zwischen Objekten grafisch dar.
… stellen Klassen und ihre Beziehungen in Diagrammen grafisch dar.
… stellen iterative und rekursive Algorithmen umgangssprachlich und
grafisch dar.
Kommunizieren und Kooperieren:
… verwenden Fachausdrücke bei der Kommunikation über
informatische Inhalte.
… kommunizieren und kooperieren in Gruppen- und Partnerarbeit.
… präsentieren Arbeitsabläufe und -ergebnisse.
… koordinieren und organisieren kooperatives und
eigenverantwortliches Arbeiten
Modellieren:
… ermitteln bei der Analyse einfacher Problemstellungen Objekte, ihre
Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen.
Argumentieren:
… analysieren und erläutern eine objektorientierte Modellierung.
… analysieren und erläutern Algorithmen und Programme.
Implementieren:
… implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter
Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken.
… modifizieren Algorithmen und Programme.
… implementieren iterative und rekursive Algorithmen auch unter
Verwendung dynamischer Datenstrukturen.
1.4 Einordnung der Unterrichtsstunde in den Kontext des Vorhabens
1. UE
(Einzelstunde)
2. UE
(Doppelstunde)
3. UE
(Einzelstunde)
2. Sequenz
4. UE
(Doppelstunde
(1. Teil)
5. UE
(Doppelstunde
(2. Teil)
„Das Wartezimmer ist voll!“ – Modellierung und Darstellung
der Datenstruktur Schlange im Kontext einer Praxisverwaltung.
Modellierung und interaktiver Aufbau der Datenstruktur
Schlange im Kontext einer Obstampel mit Hilfe des JavaEditors & Kurzeinführung zu Sequenzdiagrammen.
„Romeo & Julia – nerd edition“ – Übungen zur Darstellung
informatischer und nicht-informatischer Sachverhalte mit Hilfe
von Sequenzdiagrammen.
„Iteration enaktiv!“ – Untersuchung eines iterativen Verfahrens
mit Hilfe eines Rollenspiels.
„Iteration is human, recursion is divine!“ – Darstellung
eines rekursiven Algorithmus in einem Sequenzdiagramm
mit Hilfe eines Rollenspiels.
(Einzelstunde)
„Selbstaufrufe in der Praxis“ - Implementation eines rekursiven
Algorithmus im Projekt „Obstampel“.
7. UE
Klausur Nr. 2 – Schriftliche Leistungsüberprüfung
6. UE
(Doppelstunde)
2
2 Planung der Unterrichtsstunde
2.1 Unterrichtsgegenstand
Rekursive Algorithmen auf der Datenstruktur Schlange (Queue)
2.2 Thema
„Iteration is human, recursion is divine!“ – Darstellung eines rekursiven Algorithmus in
einem Sequenzdiagramm mit Hilfe eines Rollenspiels.
2.3 Schwerpunktlernziel
Die SuS erweitern ihre Kompetenzen im Bereich der Darstellungsleistungen, indem
sie einen rekursiven Algorithmus umgangssprachlich und grafisch darstellen.
2.4 Hausaufgaben
Die SuS haben zur vierten Unterrichtseinheit, welche vor der gezeigten Stunde liegt,
die Aufgabe der Erweiterung eines Sequenzdiagramms. Diese Aufgabe ist mit der
Intention der Übung der neu eingeführten Darstellungsweise gestellt worden.
Zur nachfolgenden Unterrichtsstunde wird die Aufgabe gestellt, die im Unterricht
gesammelten Erkenntnisse über den rekursiven Algorithmus in eine möglichst
lauffähige Implementierung desselben umzusetzen. Dies hat vor dem Hintergrund
der anstehenden zweiten Klausur das Ziel, in der nachfolgenden Stunde reflektierend
auf die gestellte Aufgabe und mögliche auftretenden Problemstellen einzugehen.
2.5 Rollenspiel
Während des Unterrichtsgeschehens soll ein Rollenspiel zum Einsatz kommen. Da
dies häufig mit einem organisatorischen Mehraufwand verbunden ist, wird das
Szenario des Rollenspiels in der vierten Unterrichtseinheit bereits für den iterativen
Algorithmus vorgestellt. Zum einen kann damit die Vorgehensweise des Rollenspiels
erklärt und methodische Klarheit gefördert werden. Auf der inhaltlichen Ebene sollen
SuS Unterschiede zwischen der iterativen und rekursiven Umsetzung des Verfahrens
besonders deutlich erkennen und bereits eine Vernetzung der Algorithmen
ermöglichen.
Da die Rekursion ein informatisches Konzept ist, das nicht leicht zu durchdringen ist,
hat sich der LAA für die möglichst handlungsorientierte Erfahrung dieses
Lerngegenstands entschieden.
3
2.6 Planung des Stundenverlaufs
Name:
Julian Hundt
Lerngruppe: Q1 Informatik
Datum:
09.12.2016
Zeit:
10:45 – 11:30
Phasen
Organisation
Einstieg
Problementfaltung
Ankommen im
Lernkontext
Unterrichtsgeschehen
Begrüßung & Vorstellung der Gäste
 L. zeigt Leitfrage der vergangenen Woche: „Ermittlung der
Gesamtkalorienzahl“
o SuS verbalisieren und wiederholen die Möglichkeit der Iteration
 L. zeigt Vorschlag von Aaron
o SuS bringen Ideen und Vorschläge ein (Präzisierung)
 Überleitung zur Leitfrage: „Wie funktioniert die rekursive
Kalorienmengenbestimmung?“ und das Ziel
 L. erklärt den Arbeitsauftrag, Festlegung der Arbeitsgruppen (5 à 4 SuS)
Erarbeitung I
o
Erkundung
und
Entdeckung
Vorstellungen
entwickeln
o

Erarbeitung
II
STUNDENTHEMA: „Iteration is human – recursion is divine!“ – Darstellung eines rekursiven Algorithmus in einem
Sequenzdiagramm mit Hilfe eines Rollenspiels.
ZIEL: Die SuS erweitern ihre Kompetenzen im Bereich der Darstellungsleistungen, indem sie einen rekursiven
Algorithmus umgangssprachlich und grafisch darstellen.
SuS teilen die Rollen auf, Darsteller proben kurz, Beobachter lesen
Beobachtungsauftrag und Quelltext.
Darsteller präsentieren Rollenspiel, übrige SuS notieren Beobachtungen
L. leitet zur Gruppenarbeitsphase über
Diskussion,
Wertung (ggf.
Reflexion) des
Gelernten
Vertiefung
Vernetzen und
Transferieren
2
SF2
Medien
Anknüpfen an Vorangegangenes
UG
AcB – Folie: „Verkettete
Strukturen –
Obstampel“
Wertschätzung der vorangegangenen
U-Beiträge
Aktivierung durch SuS-Beiträge
Fokussierung auf das Lernziel ´
Methodische Klarheit durch parallele
Vorgehensweise der letzten Stunde
SuS-Aktivierung,
Handlungsorientierung,
Enaktiv-ikonischer Zugang
o
SuS diskutieren die Beobachtungen und Ergebnisse des rekursiven
Algorithmus und fertigen gemeinsam ein Sequenzdiagramm an.
SuS koordinieren und organisieren
kooperatives und
eigenverantwortliches Arbeiten.



L. bittet (zwei-drei SuS) eines Teams zur Ergebnis-Präsentation
(ggf. weitere Vorstellung eines Ergebnisses)
Diskussion (ggf. Verbesserung) des Lernprodukts
Überprüfung des Lernzuwachs

did. Reserve: Vergleich der Algorithmen: Iteration vs. Rekursion im Hinblick
auf fachliche Schwerpunkte: Objekt-Zugriff, Verantwortung, Objekt-Aktivität,
Praxistauglichkeit?
Zweite Möglichkeit zur
Lernzielüberprüfung
(Selbstüberprüfung)
Lernprodukt
anfertigen
Sicherung
Did. /Meth. Kommentar
LV
RollenSpiel,
EA,
GA
S-Vortrag
/ UG
UG
AcB – Folie:
„Kalorienmenge
rekursiv bestimmen“
(Arbeitsauftrag)
Rollenspiel „Szenario 2“
(Regieanweisungen,
Objektkarten,
Briefumschläge,
Variablenkarten)
AB (Rückseite)
DK
AcB – Folie: Diskussion
der Ergebnisse
Abkürzungen: Sozialform (SF), Unterrichtsgespräch (UG), Lehrervortrag (LV), ActivBoard (AcB), Arbeitsblatt (AB), Dokumentenkamera (DK)
4
3 Anhang
3.1 Quellen
[1]: Schulinternes Curriculum Informatik für die gymnasiale Oberstufe
[2]: Kernlehrplan Informatik für die gymnasiale Oberstufe in NRW
[3]: Informatik 2, Qualifikationsphase. Lehrwerk für die gymnasiale Oberstufe
– Neubearbeitung: Schöningh-Verlag, Paderborn
3.2 Übersicht geplanter ActivBoard-Folien
i
3.3 Ergänzendes Material
3.3.1 Zusatzaufgaben
Eine Förderung der starken SuS wird durch die Aufgabenstellung implizit gewährleistet.
So können diese ihr Wissen im Hinblick auf die anderen Beobachtungsaufgaben einbringen.
Zusätzlich gibt es bereits eine weiterführende Aufgabe im Bereich der Implementierung:
schnelle SuS können hier bereits einen angegebenen Quellcode auf Stabilität im Hinblick auf
Fehlerstellen untersuchen.
3.4 Rollenspiel-Material
3.5 Arbeitsmaterialien
3.5.1 Arbeitsblatt mit Beobachtungsaufträgen
3.5.2 Arbeitsblatt mit Teil eines Sequenzdiagramms (Rückseite)
3.5.3 Drehbuch des Rollenspiels
ii
iii
iv
v