Wie ein Algorithmus denken lernen: „Computational Thinking“ im Unterricht

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KONSTANZ. Wie muss der Unterricht gestaltet sein, um Schülerinnen und Schülern digitale  Kompetenzen zu vermitteln? Ein Verbundprojekt von zwei Hochschulen versucht, für naturwissenschaftliche Fächer entsprechende Best-Practice-Beispiele zu entwickeln. Ein Zauberwort dabei: „Computational Thinking“.

Problemstellungen so formulieren, dass Computer die Fragestellung verarbeiten können – das sollen Schülerinnen und Schüler lernen. Illustration: Shutterstock

Die Digitalisierung des Schulunterrichts bedeutet nicht nur, dass digitale Geräte in den Klassenzimmern ankommen. Es bedeutet vor allem, dass Schülerinnen und Schüler digitale Arbeitsweisen lernen. Stichwörter sind dabei „Computational Thinking“ und „Digital Literacy“, also die Kompetenzen, die Arbeitsweise von Computern zu verstehen, sich sicher in einer Informationsgesellschaft zu bewegen und verantwortungsvoll mit Daten umzugehen.

Wie aber muss der Unterricht gestaltet sein, um diese Kompetenzen zu vermitteln? Das Projekt GeNIUS möchte hierfür die Weichen stellen. „GeNIUS“ steht für „Gelingensbedingungen für den Naturwissenschaftlich-Informatischen Unterricht in Schulen“. In diesem Verbundprojekt erforschen Fachdidaktikerinnen und -didaktiker der Universität Konstanz und der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU), wie ein naturwissenschaftlich-informatischer Unterricht gestaltet sein sollte, um digitale Kompetenzen bestmöglich zu fördern. In enger Zusammenarbeit mit Schulen werden Lernszenarien in der Praxis erprobt und daraus Best-Practice-Formate für den Unterricht abgeleitet. GeNIUS wird vom Bundesbildungsministerium gefördert.

„In Deutschland ist Computational Thinking bisher nur in Teilansätzen in den Schulunterricht integriert“

Ein gutes Beispiel ist „Computational Thinking“, also „algorithmisches Denken“. Gemeint ist, dass Problemstellungen so formuliert werden, dass Computer die Fragestellung verarbeiten und somit zur Lösung herangezogen werden können. Die Schülerinnen und Schüler müssen hierfür über Wissen und Verständnis von digitalen Systemen und Konzepten in der Informatik verfügen. Ein Beispiel ist die Zerlegung von Problemen bzw. Fragestellungen in gut lösbare Teilprobleme und deren Übersetzung in Algorithmen. Gemeint ist eine Abfolge von Bearbeitungsschritten, die im Idealfall der Computer automatisiert ausführen kann, um beispielsweise mit Sensoren Daten zu erheben und weiter zu verarbeiten.

„In Deutschland ist Computational Thinking bisher nur in Teilansätzen in den Schulunterricht integriert und insgesamt nicht flächendeckend curricular verankert. Gleichzeitig liegen die Kompetenzen von deutschen Schüler*innen im Bereich Computational Thinking signifikant unter dem internationalen Mittelwert, weshalb wir mit GeNIUS eine kontinuierliche inhaltliche und methodische Unterrichtsentwicklung vorschlagen“, schildert Johannes Huwer, Professor für Fachdidaktik der Naturwissenschaften an der Universität Konstanz und Leiter des GeNIUS-Teilprojekts in Konstanz.

Annette Bieniusa, Professorin für die Programmierung verteilter Systeme, und Christoph Thyssen, Professor für Fachdidaktik der Biologie an der RPTU in Kaiserslautern, sind sich sicher, „dass Grundlagen in diesem Bereich zukünftig essenziell für technische und naturwissenschaftliche Studiengänge sein werden.“ Sie erläutern: „Da präzise verfasste Arbeitsanweisungen und Vorgehensweisen in den Naturwissenschaften wesentliche Elemente von reproduzierbarer Forschung sind, ist eine Ergänzung um informatische Konzepte wie Algorithmen naheliegend und mit in der Informatik erprobten Ansätzen gut möglich.“

„Konzepte informatischer Bildung können dabei helfen, naturwissenschaftsspezifische Denk- und Arbeitsweisen zu fördern“

GeNIUS ist strukturell fachübergreifend angelegt und zielt generell auf den gesamten MINT-Bereich (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik) ab. Die Integration von Grundkompetenzen der Informatik soll naturwissenschaftlichen Unterricht dahingehend erweitern, dass Schülerinnen und Schüler beim forschenden Lernen mit Sensoren Daten erheben und eigenständig digital verarbeiten können, was wiederum rückwirkend den Informatikunterricht stärkt.

„Einerseits können Konzepte informatischer Bildung dabei helfen, naturwissenschaftsspezifische Denk- und Arbeitsweisen zu fördern. Andererseits kann der naturwissenschaftliche Unterricht einen Beitrag für die informatische Bildung leisten“, führt Johannes Huwer aus und gibt ein Beispiel: „Ein naturwissenschaftliches Experiment durchzuführen ist im Wesentlichen nichts anderes, als einen Algorithmus umzusetzen. Naturwissenschaft und Informatik verwenden dieselben Konzepte, und wir wollen diese Gemeinsamkeiten in einem naturwissenschaftlich-informatischen Unterricht zusammenführen.“

„Diese grundlegenden Konzepte aus der Informatik spielen in praktisch jeder Fachdisziplin eine Rolle und manchmal muss man sie vor allem beim Namen nennen, um sie für Schüler*innen und auch für Lehrkräfte sichtbar zu machen“, erklärt Barbara Pampel, Tenure-Track-Hochschuldozentin für Grundlagen und Didaktik der Informatik an der Universität Konstanz.

In Zusammenarbeit mit Lehrkräften, auch von Schulen am Standort Kaiserslautern, werden konkrete Unterrichtsszenarien entwickelt und in der Praxis erprobt. Im Zusammenspiel von fachdidaktischer Analyse und Unterrichtspraxis werden Best-Practice-Formate für den Unterricht gestaltet. Ein weiteres Handlungsfeld ist die Professionalisierung von naturwissenschaftlich-informatischen Lehrkräften. Ausgehend von einer begleitenden Lehrkräfteevaluation werden Weiterbildungskonzepte für Lehrerinnen und Lehrer entwickelt. News4teachers / mit Material der dpa

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18 Kommentare
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vhh
2 Monate zuvor

‚präzise verfasste Arbeitsanweisungen‘ , ‚… ein Experiment… nichts anderes als einen Algorithmus umsetzen‘. Experimente als reine Algorithmen? Vielleicht im Labor bei Versuchsreihen! Man kann sicherlich Experimente oft auf ein gemeinsames Grundschema zurückführen, aber ist das in der Schule wünschenswert? Für mich bedeutet naturwissenschaftliches Denken Neugier, Kreativität, Teamarbeit und Abwechslung zu fördern und das ist mir viel wichtiger als ‚Zerlegung von Problemen bzw. Fragestellungen in gut lösbare Teilprobleme und deren Übersetzung in Algorithmen‘ zur Verbesserung der ‚informatorischen Grundbildung‘. Ich kann mich übrigens nicht erinnern, jemals ohne die Zerlegung in Teilprobleme unterrichtet zu haben, gehört also schon längst dazu, nur eben fachbezogen und ohne es zu thematisieren. Experiment = Algorithmus das ist ähnlich einer Definition ‚ Mode = Zuschnitt der Stoffe‘.
Digitale Auswertung und Beobachtung von Experimenten stehen schon lange in den Lehrplänen und finden auch als Schülerarbeit statt, sei es mit Sensortechnik oder Videoauswertung ( und auch noch analog, wenn es angemessen ist). Natürlich folgt das einem gewissen Schema, das man evt als Algorithmus vorstellen kann, aber das macht die fachdidaktischen Konzepte dahinter nicht anders oder neu. Die verwendete Technik ist aber ein Hilfsmittel und sollte es bleiben, dabei Konzepte der Informatik zu verdeutlichen ist eine unnötige Überfrachtung. Solange der rote Faden für SuS erkennbar bleibt mag das ansatzweise sinnvoll sein, aber genau dieser Faden geht irgendwann verloren.
Die wichtigste Fragestellung für naturwissenschaftlichen Unterricht sollte nicht lauten ‚Wie muss der Unterricht gestaltet sein, um Schülerinnen und Schülern digitale Kompetenzen zu vermitteln?‘. Es ist es schon komplex genug, in der gegebenen Unterrichtszeit die Grundlagen des jeweiligen Fachs zu vermitteln, denn das ist als Fachlehrer das erste Ziel. Ob man in den beteiligten Forschungsgruppen daran denkt? Es klingt eher danach, dass die jeweiligen Fächer als Mittel zum Zweck dienen sollten.

Hmm...
2 Monate zuvor

„Ein weiteres Handlungsfeld ist die Professionalisierung von naturwissenschaftlich-informatischen Lehrkräften. Ausgehend von einer begleitenden Lehrkräfteevaluation werden Weiterbildungskonzepte für Lehrerinnen und Lehrer entwickelt.“

Ich habe mal Gymnasiallehrer für Mathematik und Physik studiert.

Dann kam NAWI in Klasse 5/6. Okay, Biologie für 10-12jährige – kein Problem.
Irgendwann gab es sogar entsprechende Lehrwerke.

Neuerdings haben wir NAWI auch in 7/8. Es wird einfach vorausgesetzt, dass man als Physiklehrer alle Naturwissenschaften adäquat unterrichten kann. Friss oder stirb…
„Es kommt doch auf die naturwissenschaftlichen Kompetenzen an, die die Schüler erwerben, nicht auf die Fächer.“ – „Ach so, na dann.“

In Zukunft sollen wir nun auch noch Informatiklehrer sein.

Die ganze Situation lockt bestimmt ganz viele junge Leute an, die unbedingt MINT-Fächer auf Lehramt studieren wollen. Am besten gleich alle fünf Fächer auf einmal! Sonst wird das dann nix mit dem Unterricht.
Neues Berufsbild: Die eierlegende Wollmilchsau

Einer
2 Monate zuvor
Antwortet  Hmm...

Uhi – man muss sich weiterbilden nach dem Studium? Solche Beschreibungen sind ja wohl typisch für Lehrer am Gym.
Bestimmt trifft ihre Beschreibung nicht auf alle Lehrer am Gym zu, aber sie verdeutlichen mit ihren Aussagen den typischen Elfenbeinturm.
Einmal studiert und dann reicht es für das gesamte Lehrer-Leben. Einfach peinlich.

Vielleicht sprechen sie mal mit Lehrern an Berufsschulen und Berufskollegs. Kaum ein Lehrplan der länger als 4 Jahre hält. Egal in welchem Fach. Spätestens alle 2-3 Jahre neue Inhalte in fast allen Fächern. Fortbildungen für diese Inhalte? Pustekuchen. Wer studiert hat, hat gelernt sich immer Neues anzueignen.

Hmm...
2 Monate zuvor
Antwortet  Einer

Ob Sie es glauben oder nicht, auch an Gymnasien ändern sich die Lehrpläne und Anforderungen alle paar Jahre. Natürlich arbeitet man sich dann in neue Inhalte, die Nutzung von Apps im Unterricht, neue Experiementiergeräte in Physik usw. ein.

Im fachfremden Unterricht sieht das anders aus. Man weiß nicht, ob man den Anforderungen gerecht wird, ob man den Schülern genügend Grundlagen und diese fachlich korrekt vermittelt, so dass sie im späteren Fachunterricht damit gut bestehen können.

Wenn man an den Schulen keine Fachlehrer mehr möchte, sondern Allrounder, müsste sich das auch in der Lehrerausbildung abbilden. Wieso studiert man dort weiterhin zwei Fächer auf Master und nicht einen ganzen Fachbereich auf entsprechend angepasstem Niveau?

Wir konnten/können uns Schritt für Schritt auf neue Situationen einstellen. Aber fragen Sie mal junge Kollegen, die neu an die Schule kommen. Die erleiden einen kleinen Kulturschock, wenn sie als ausgebildete Bio-Lehrer plötzlich in Klasse 5 bis 8 auch Physik und Chemie unterrichten müssen.

447
2 Monate zuvor
Antwortet  Einer

Wer sich mit einem vollen Studium im Lehramt einer gewöhnlichen weiterführen Schule ernsthaft und dezidiert „fortbilden“ muss…(statt sich das nebenbei schnell reinzuziehen)… ich weiß ja nicht, ich weiß ja nicht. Akademiker und so, im Studium aufgepasst und so, „Wissen“ als Beruf und so?

Ich meine ja nur. 🙁

Ureinwohner Nordost
2 Monate zuvor
Antwortet  Einer

Ich wünsche Ihnen viel Erfolg beim Unterrichten der chinesischen Sprache.
Sie sind doch sicher Sprachlehrer und weiterbildungsbereit.
Nicht wahr?

Ureinwohner Nordost
2 Monate zuvor
Antwortet  Einer

Wenn man mich als Diplom Lehrer für zwei Naturwissenschaften nicht mehr adäquat einsetzten kann, tue ich entlassen werde und die letzten Monate vor der Verrentung arbeitslos werde.
Für mich kein Problem. Für andere wird es zur Katastrophe. LK und GK in der Oberstufe z.B..

Riesenzwerg
2 Monate zuvor
Antwortet  Einer

Nein. Kein Gym-Gemecker. Auch bei uns an der GemS.

KuMi-Logik 1: Lehrkräfte
Mathe, Bio, Chemie, Physik
Alles Naturwissenschaften. NaWi geht also.

KuMi -Logik 2: Lehrkräfte
Du hast Deutsch studiert? Dann gehen auch Französisch und Spanisch. Sind ja Sprachen.

Logik 3: Kapitäne
Du bist Pilot, also Kapitän. Fahr mal das Containerschiff nach China. Du bist (Binnenschiffahrts)-Kapitän. Die Lufthansa sucht gerade …
Bin gespannt, wer da einsteigt.

Logik 4: Ärzte
Der Herzchirurg ist überlastet, Proktologe hat Zeit.
Bin gespannt, wer diese Chance wahrnimmt.

Och – mit ein bisschen Fortbildung …

Sparmaßnahmen sind das. Und das hat mit Fortbildungen nichts zu tun, denn das darf man sich gerne fachfremd alleine aneignen oder mit der Hilfe der Kollegys. Gleich zwei Menschen doppeltbelastet durch Sparentscheidung…

Wenn NaWi sein soll – bitte NaWi als Studienfach.

Wenn ich Chemie studiert habe, dann vielleicht auch aus dem Grund, dass ich keine Fische zerteilen (was für ein unnützer Tod!) und Kuhaugen sezieren will.

Deswegen wird es auch kein NaWi als Studienfach geben – viele wollen nichts Totes auseinandernehmen.

Dr. Kerie
2 Monate zuvor
Antwortet  Riesenzwerg

Kolleginnen und Kollegen, willkommen in der realen Welt der integrativen Gesamtschulen mit gymnasialer Oberstufe. Hier gibt es nur das Fach Naturwissenschaften von der Klasse 5 bis einschließlich 10. Teilweise haben meine Kollegen davon nur ein Fach studiert, und müssen die zwei weiteren Fächer fachfremd unterrichten. Was auch passiert. Und zwar sehr gut. Dies ist möglich mit unserer hervorragende Teamarbeit, und unseren schulinternen Fortbildungen, die wir innerhalb unseres Teams durchführen. Der Physiker hilft dem Biologen, der Chemiker dem Physiker, und so weiter. Ach so, das machen wir natürlich in unserer freien Zeit. Haben ja genug davon, nicht wahr.

Riesenzwerg
1 Monat zuvor
Antwortet  Dr. Kerie

Eben! Selbsthilfe in der Erholungszeit!

Deswegen muss es NaWi als Studienfach geben! Eigentlich logisch und konsequent.

Ich bin an einer GemS und da unterrichten wir fachfremd alles, was ansatzweise vertretbar ist.

Selbstverständlich hängt sich da jede(r) rein und verzichtet auf seine notwendige Erholung.

Das kann und darf aber nicht zur Selbstverständlichkeit (kleiner Widerspruch zu oben) für unsere KuMis werden.

DIE sind dafür verantwortlich, dass es läuft.

Ich möchte auch gern laufen – anstatt auf dem Zahnfleisch zu kriechen.

Bei uns gibt es ab Klasse 7 wieder Bio, Chemie und Physik.

Experimente und Versuche sind mit den riesen Gruppen kaum durchführbar.

Sinnvoll, logistisch kaum machbar und megateuer wären halbe bzw. drittel Kurse für die einzelnen Fächer.

Aber wer will schon ordentliche Bildung? Nur die Lehrers – und auf die hört man nicht.

Ein Teufelskreis.

QuerRein
2 Monate zuvor

Klingt toll, oder? – Ich erlebe aber häufig, dass SuS noch nicht mal in der Lage sind, zu einer einfachen Aufgabe die Lösung entsprechend zu googlen… Informatik ist dabei in vielen Bundesländern reguläres Schulfach… Wo also hängt es?

Muss es jetzt sein, dass in den NaWi auch der Unterricht „Computational Thinking“ lehrt?
Ich würde mal sagen, es ist für die SuS schon komplex genug überhaupt zu verstehen, wie einfache Prozesse in der Realität ablaufen. Um zu verstehen, wie man mit Algorithmen ein naturwissenschaftliches Problem löst, muss zunächst verstanden worden sein, wie die Parameter des realen Problems aussehen. Dazu brauche ich keine Algorithmen, sondern etwas zum Visualisieren. Das können aber Modelle aus Papier, Steckkästen, Knetmasse und Zahnstocher auch leisten… Das ist wenigstens kostengünstig und jeder hat es auch mal Zuhause zur Hand. Schulen haben meist weder die Ausstattung noch die Zugänge zur passenden Software – schon gar nicht für alle SuS und auch nicht für zu Hause.

Also: Erst Sache verstehen, dann Gedanken darüber machen, wie ich es einem Algorithmus einfüttern muss bzw. denselben konstruiere…

Zudem wird die Lösung des Problems für die meisten unauffindbar, weil ihnen sowohl des Verständnis der fachlichen Hintergründe in der Naturwissenschaft fehlt (das ist in den modernen, kompetenzorientierten Lehrplänen nicht mehr vorgesehen), als auch das nötige informatische Know-How.

Wir reiben uns doch eh schon auf, den SuS die Inhalte der überfrachteten Lehrpläne (die oftmals auch nicht durchdacht konstruiert sind…) zu vermitteln… Wie sollen wir denn das jetzt auch noch leisten?

Fazit: Wir bauen wieder Luftschlösser… Medienkompetenz ist wichtig, aber meist reicht für SuS die Black-Box. Die sollen ja nicht „forschen“, sondern einfache Konzepte verstehen und durch Versuche überprüfen. Ja, dazu gehört evtl. auch Messtechnik… Aber die soll benutzt und nicht erfunden oder programmiert werden… In der Oberstufe im Vertiefungsfach OK, aber da haben sie ja auch mehr Kenntnisse.

Achin
2 Monate zuvor

Selbst für die engagierteste Fachlehrkraft sind sog. „Best-Practice-Formate“ leider ein Graus. Vielen wohlbestallten Didaktik-Professoren ist der Schulalltag der Lehrer*innen egal, sie forschen und lehren autopoetisch im Rahmen ihres Zitierzirkels. Häufig arbeiten sie mit Seminaren zusammen oder mit solchen Kolleg*innen, die im System „etwas werden wollen“ und für Versuche Rahmenbedingungen (zeitlich, räumlich, Klassengröße, Zusammensetzung der SuS…) herstellen oder suggerieren, die in der Realität so nicht vorkommen.

Gibt es für das vorgestellte Projekt konkrete Zahlen und Daten, unter welchen Bedingungen (Lehrpersonen, IT-Techniker zur Wartung, Stundentafel, Ausstattung, Gruppengröße) das „Computational Thinking“ in der Fläche eines Bundeslandes durchgeführt werden könnte?

Wie wäre es mit „Good-Practice-Formaten-unter-Realitybedingungen“, die könnte man schlechter verkaufen, sie wären aber nachhaltiger?

Realist
2 Monate zuvor
Antwortet  Achin

„sie forschen und lehren autopoetisch im Rahmen ihres Zitierzirkels“

Passend wäre im schulischen Kontext eher das Wort „autistisch“…

Carsten60
2 Monate zuvor

Über „Computational Thinking“ kann man eben neue didaktische Doktorarbeiten schreiben und damit Drittmittel einwerben. Algorithmen im Mathematikunterricht könnten das genauso unterstützen, aber das klingt zu nüchtern.

Realist
2 Monate zuvor
Antwortet  Carsten60

Klar. die nächste Sau, die durchs Dorf getrieben wird. Im Zusammenhang mit KI wird das der nächste große Hype in den Schulen. Aber da sich die Zahl der „didaktischen“ Lehrstühle mittlerweile explosionsartig vervielfältigt hat, ist es zwangsläufig, dass jeder M…, der gerade durch die Gesellschaft rauscht, didaktisch „erforscht“ wird und in Form irgendwelcher Handlungskonzepte und „Best Practices“ dann in den Schulen, die sowieso dauerüberlastet sind, dann ankommt…

Warnung an alle Studienanfänger im Lehramt (gibt’s die überhaupt noch?): Im Studium und am Anfang ist das ganze noch irgendwie interessant, aber nach wenigen Jahren nervt es nur noch, dass es das „Kerngeschäft“ massivst behindert, indem es immer mehr Ressourcen abzieht. Nur noch Bekloppte studieren Lehramt mit dem Ziel wirklich zu unterrichten (lieber rechtzeitig in die didaktische „Forschung“ wechseln, wenn es für einen kompletten Studiengangwechsel schon zu spät ist…)

Georg
2 Monate zuvor

Wie ein Algorithmus denken, bedeutet faktisch roboterhaft vorgeschriebene Anweisungen nach immer dem gleichen Schema auszuführen. Für mich ist das ein Musterbeispiel für nicht denken.

Deutlich anspruchsvoller ist das Entwickeln und Optimieren eigener Algorithmen. Das geht aber weit über das hinaus, was man selbst von den meisten motivierten Schülern erwarten kann, weil Mathe, echte Informatik, Logik und so.

447
2 Monate zuvor
Antwortet  Georg

Der Trick ist es, SuS durch Materiallenkung vorzugauckeln, dass sie selbst „programmiert“ hätten – SuS und Eltern sind begeistert, SL strahlt und der lokale Ministeriumsjockey ist auch happy.

Läuft!

Riesenzwerg
2 Monate zuvor
Antwortet  447

Und das Schüly denkt, es denkt ….