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Stel­len­wert­sys­te­me (Stun­den 1 – 4)

Be­reits in Klas­se 5/6 ler­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler im Ma­the­ma­tik­un­ter­richt neben dem De­zi­mal­sys­tem ein wei­te­res Zah­len­sys­tem ken­nen. Spä­tes­tens im Rah­men des Auf­bau­kur­ses In­for­ma­tik in Klas­se 7 er­fah­ren sie das Prin­zip des Bi­närs­ys­tems und kön­nen na­tür­li­che Zah­len zwi­schen 0 und min­des­tens 255 in Bit­fol­gen dar­stel­len und um­ge­kehrt. Diese Kennt­nis­se wer­den nun wie­der­holt, wei­ter­ge­führt und ver­tieft. Dazu ver­glei­chen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler zu­nächst das Bi­närs­ys­tem mit dem de­zi­ma­len Stel­len­wert­sys­tem und über­füh­ren die bei­den Dar­stel­lun­gen wech­sel­sei­tig. An­hand der Ad­di­ti­on und einer wei­te­ren Grund­re­chen­art – hier bie­tet die Wahl zwi­schen Sub­trak­ti­on, Di­vi­si­on und Mul­ti­pli­ka­ti­on eine Ge­le­gen­heit zur Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung – er­wei­tern sie ihre Kennt­nis­se über die Struk­tu­ren der gän­gi­gen Re­chen­ver­fah­ren und deren Über­trag­bar­keit auf an­de­re Stel­len­wert­sys­te­me. Der ab­schlie­ßen­de Wech­sel zwi­schen dem Bi­närs­ys­tem und dem He­xa­de­zi­mal­sys­tem eig­net sich gut, um wei­te­re Ver­knüp­fun­gen zum Be­reich der in­for­ma­ti­ons­tech­ni­schen Grund­la­gen her­zu­stel­len (z.B. Bits und Bytes, ASCII, dis­kre­te Farb­mi­schun­gen).

Grund­le­gen­der Auf­bau (Stun­den 1 – 2)

Im Bil­dungs­plan zum Auf­bau­kurs In­for­ma­tik wird das Prin­zip des Bi­närs­ys­tems und die wech­sel­sei­ti­ge Um­wand­lung von Bi­n­är­zah­len und na­tür­li­chen Zah­len zwi­schen 0 und 255 be­reits the­ma­ti­siert. Dem­zu­fol­ge wer­den die Schü­le­rin­nen und Schü­ler mit ge­wis­sen Vor­kennt­nis­sen aus die­sem Be­reich ver­traut sein. Um die­ses Wis­sen zu ak­ti­vie­ren, be­ginnt das erste AB Bi­n­är­zah­len – Grund­la­gen mit einer of­fe­nen Fra­ge­stel­lung und dar­auf ab­ge­stuf­ten Hil­fe­kärt­chen, auf die dann wie­der­ho­len­de Übun­gen fol­gen (Auf­ga­be 1 - 3). Nach die­ser Wie­der­ho­lung wid­met sich Auf­ga­be 4 dem ver­glei­chen­den Ver­ständ­nis von Stel­len­wert­sys­te­men. Da­durch wird das Wis­sen über das Prin­zip des Bi­närs­ys­tems mit dem de­zi­ma­len Stel­len­wert­sys­tem ver­knüpft, so­dass nicht nur der grund­sätz­li­che Auf­bau von Stel­len­wert­sys­te­men im All­ge­mei­nen, son­dern ins­be­son­de­re auch die Ge­mein­sam­kei­ten und Un­ter­schie­de zwi­schen den ein­zel­nen Stel­len­wert­sys­te­men ent­deckt und ver­ba­li­siert wer­den. Mit­hil­fe des AB Bi­n­är­zah­len – Übun­gen (01_mg­k_­bi­när-Ein­stieg) wer­den diese alten und neuen Er­kennt­nis­se auf ver­schie­de­nen Ni­veau­stu­fen ein­ge­übt.

Das drit­te und letz­te AB Bi­n­är­zah­len – Kno­bel­spaß, ist ein op­tio­nal ein­setz­ba­res AB. Hier wird noch­mals die Ge­le­gen­heit ge­ge­ben, bin­nen­dif­fe­ren­zie­rend auf allen Ni­veau­stu­fen zu üben. Es bie­tet je­doch mit Si­cher­heit ein hohes Maß an Mo­ti­va­ti­on, so­dass der Ein­satz in der ge­sam­ten Klas­se an­ge­dacht wer­den kann – dies muss der Fach­leh­rer unter Ab­wä­gen des Zeit­be­darfs in­di­vi­du­ell ent­schei­den. Für den Fall, dass der Zeit­be­darf gegen einen Ein­satz in der Klas­se spricht, kann es auch zur Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung für ein­zel­ne leis­tungs­star­ke Schü­le­rin­nen und Schü­ler die­nen, die im „Pflicht­be­reich“ even­tu­ell deut­lich schnel­ler als ihre Mit­schü­le­rin­nen und Mit­schü­ler sind.

Schrift­li­che Re­chen­ver­fah­ren (Stun­de 3)

Auch wenn keine ex­pli­zi­te Er­wäh­nung des ma­the­ma­ti­schen Be­reichs der Nu­me­rik im Bil­dungs­plan IMP zu fin­den ist, bie­tet er den­noch immer wie­der die Mög­lich­keit, Ein­bli­cke in die Grund­la­gen der Nu­me­rik zu er­fah­ren. Die Stun­de zu den schrift­li­chen Re­chen­ver­fah­ren kann eben­so mo­ti­viert wer­den. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler haben nun das Bi­närs­ys­tem als Spei­cher­mög­lich­keit für Com­pu­ter ken­nen­ge­lernt. Ob und wie die wei­te­re Ver­ar­bei­tung bei Be­rech­nun­gen funk­tio­niert, ist je­doch noch un­be­kannt. Die Vor­ga­be des Bil­dungs­plans, dass die Schü­le­rin­nen und Schü­ler neben der Ad­di­ti­on noch eine wei­te­re Grund­re­chen­art schrift­lich durch­füh­ren kön­nen, ist als Auf­for­de­rung zur Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung zu sehen, da nicht alle Schü­le­rin­nen und Schü­ler das­sel­be Re­chen­ver­fah­ren ler­nen müs­sen. Die­ser Vor­ga­be kommt das AB Bi­n­är­zah­len – Re­chen­ver­fah­ren unter der Lupe nach. Zu­nächst wid­men sich alle Schü­le­rin­nen und Schü­ler in­ner­halb der Auf­ga­be 1 der Ad­di­ti­on von Bi­n­är­zah­len. Da da­nach jede Schü­le­rin und jeder Schü­ler noch ein wei­te­res Ver­fah­ren kön­nen muss, ist Auf­ga­be 2 an sich als ver­pflich­tend zu sehen. Die Set­zung des Sym­bols * dient hier le­dig­lich zur Be­zeich­nung der Ni­veau-Ab­stu­fun­gen. Da die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sich zu­nächst nur ein wei­te­res Ver­fah­ren aus­wäh­len müs­sen, ist die Di­vi­si­on, die in­di­rekt die Sub­trak­ti­on ein­führt als eben­so schwie­rig an­zu­se­hen, wie die Mul­ti­pli­ka­ti­on, bei der ein aus dem Zeh­ner­sys­tem un­be­kann­tes Über­tra­gen über meh­re­re Stel­len er­for­der­lich sein kann.

Das He­xa­de­zi­mal­sys­tem (Stun­de 4)

Die Zahldar­stel­lun­gen im Bi­närs­ys­tem er­rei­chen sehr schnell eine recht un­über­sicht­li­che Länge. Des­halb hat sich der Ein­satz des He­xa­de­zi­mal­sys­tems (16er-Sys­tem) in ei­ni­gen Be­rei­chen der Da­ten­ver­ar­bei­tung durch­ge­setzt. So ba­sie­ren der ASCII und die Mi­schung von Far­ben am Mo­ni­tor auf na­tür­li­chen Zah­len im Be­reich von 0 bis 255 – das sind Zah­len, die he­xa­de­zi­mal zwei­stel­lig dar­stell­bar sind. Die Stel­len im He­xa­de­zi­mal­sys­tem be­ste­hen von rechts nach links aus Viel­fa­chen von der Zah­len 160 = 1, 161 = 16, 162 = 256, 163 = 4096, usw. Als je­wei­li­gen Viel­fa­chen einer Stel­le wer­den zu­nächst wei­ter­hin die Zif­fern 0 bis 9 ver­wen­det. Um bei­spiels­wei­se 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 Einer an­zei­gen zu kön­nen, be­nö­tigt man je­doch noch sechs wei­te­re Zif­fern. Diese wer­den der nu­me­risch auf­stei­gen­den Rei­hen­fol­ge nach A, B, C, D, E und F be­nannt. Die Zahl B916 be­deu­tet somit (von rechts nach links) 9 Einer + 11 Sech­zeh­ner, also 185.

Die Mo­ti­va­ti­on für die­ses wei­te­re Stel­len­wert­sys­tem kann im Un­ter­richt op­tio­nal über das AB He­xa­de­zi­mal­zah­len - Hin­ter­grund­wis­sen ein­ge­führt wer­den, oder der Leh­rer stellt dies in einem ei­gen­stän­di­gen Leh­rer­vor­trag vor. Ins­be­son­de­re Farb­misch­pro­gram­me eig­nen sich als Prä­sen­ta­ti­ons­ba­sis, zahl­rei­che davon sind als Free­ware im In­ter­net ver­füg­bar, dar­un­ter ei­ni­ge, die di­rekt aus dem Brow­ser her­aus be­dien­bar sind. Ein Bei­spiel dafür wird di­rekt auf dem AB an­ge­ge­ben. Al­ter­na­tiv dazu und sehr emp­feh­lens­wert ist die App Farb­co­die­rung von Mo­ni­ka Ei­sen­mann. Hier kön­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ihre Farb­code­ent­schlüs­se­lung ein­stel­len und gleich selbst an­hand der App über­prü­fen.

Die tat­säch­li­che Ein­füh­rung des He­xa­de­zi­mal­sys­tems ist dann auf dem AB He­xa­de­zi­mal­zah­len ein „neues“ Stel­len­wert­sys­tem zu fin­den. Die­ses AB glie­dert sich in einen er­klä­ren­den Text und die zu­ge­hö­ri­gen An­wen­dungs­auf­ga­ben. Da der Bil­dungs­plan sich auf die wech­sel­sei­ti­ge Um­wand­lung zwi­schen Binär- und He­xa­de­zi­mal­zah­len be­schränkt, wid­men sich die Auf­ga­ben 1 – 3 auch nur genau die­ser. Erst in den op­tio­na­len „*“-Auf­ga­ben 4 und 5 ist an die Er­klä­rung des Prin­zips bzw. eine wei­te­re Um­for­mung in das De­zi­mal­sys­tem ge­dacht.

An­mer­kung: Auf dem AB wird das He­xa­de­zi­mal­sys­tem auch über die Spei­cher­grö­ßen mo­ti­viert. Die Grö­ßen­an­ga­ben hier­für wer­den in der Li­te­ra­tur un­ein­heit­lich ver­wen­det. Bei­spiels­wei­se wird 1 kB (1 Ki­lo­byte) teil­wei­se als 1000 Byte, aber auch als 1024 (=210) ge­nannt – letz­te­res trägt aber auch den Namen KiB (1 Ki­bi­by­te). Mehr dar­über fin­det man bei­spiels­wei­se in Wi­ki­pe­dia unter dem Stich­wort „Byte“.

Hin­weis:

In der Ein­heit „In­for­ma­ti­ons­ge­sell­schaft und Da­ten­si­cher­heit“ des Fach­be­rei­ches In­for­ma­tik be­fin­det sich im Bil­dungs­plan die fol­gen­de Kom­pe­tenz: „Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler kön­nen er­läu­tern, dass mo­der­ne Ver­schlüs­se­lungs­ver­fah­ren auf ele­men­ta­ren Verschlüsselungs­verfahren ba­sie­ren [...]“. In den zu­ge­hö­ri­gen Ma­te­ria­li­en von Frau Mi­ri­am Klein wird dabei das AES-Ver­fah­ren er­klärt und mit Cryp­Tool1 ver­an­schau­licht. Da in der Cryp­Tool1-Vi­sua­li­sie­rung He­xa­de­zi­mal­zah­len ver­wen­det wer­den, ist es von Vor­teil, wenn in IMP-Ma­the­ma­tik be­reits die He­xa­de­zi­mal­zah­len be­han­delt wur­den (3.​1.​2.​1 Ma­the­ma­ti­sche Grund­la­gen der Kryp­to­lo­gie), bevor die In­for­ma­tik die­ses Thema be­han­delt.

 

 

Un­ter­richts­ver­lauf: Her­un­ter­la­den [odt][87 KB]

Un­ter­richts­ver­lauf: Her­un­ter­la­den [pdf][130 KB]

 

Wei­ter zu Prim­zah­len, Tei­ler und Viel­fa­che