DGB 2: Wie Programme Daten speichern und verarbeiten
11.1 Lernziele
Die Schülerinnen und Schüler können:
- erklären, dass Programme Informationen nicht direkt als Bedeutung, sondern als Daten verarbeiten.
- beschreiben, dass Zahlen, Zeichen, Farben, Töne und Bilder in Computern symbolisch dargestellt werden.
- erläutern, dass Programme Regeln benötigen, um Daten zu speichern, zu lesen und weiterzuverarbeiten.
- erkennen, dass dieselben technischen Grundprinzipien bei Texten, Bildern, Tönen und Zahlen angewendet werden.
- einfache Beispiele dafür nennen, wie Informationen in Zahlen oder andere Symbole übersetzt werden.
- erklären, dass Computer Zeichen nicht verstehen, sondern nach vorgegebenen Anweisungen verarbeiten.
- beschreiben, wie Programme Eingaben prüfen, verändern, speichern und ausgeben.
- zwischen Information für Menschen und Darstellung für Maschinen unterscheiden.
- an Beispielen aufzeigen, wie Fehler entstehen, wenn Daten falsch gespeichert oder falsch interpretiert werden.
- erklären, warum die einheitliche Darstellung von Daten für das Funktionieren von Programmen wichtig ist.
11.2 Lerninhalte
Die Auseinandersetzung mit der internen Darstellung von Informationen macht deutlich, dass Programme nur deshalb Texte, Bilder, Töne oder Zahlen verarbeiten können, weil diese Inhalte in eine Form übersetzt werden, die Maschinen eindeutig speichern und berechnen können. Menschen lesen ein Wort, erkennen ein Foto oder hören eine Melodie unmittelbar als bedeutungsvollen Inhalt. Ein Computer kann das nicht in derselben Weise. Für ein Programm besteht ein Wort zunächst aus Zeichen, ein Bild aus gespeicherten Werten, ein Ton aus messbaren Informationen und eine Zahl aus einer darstellbaren Größe.
Damit Programme arbeiten können, müssen Informationen deshalb in Symbole übersetzt werden, die eindeutig gespeichert, übertragen und verarbeitet werden können.
Programme speichern Daten nicht als Gedanken oder Bedeutungen, sondern als Zeichenfolgen, Zahlenwerte oder andere festgelegte Symbole. Diese Darstellung ist notwendig, weil ein Computer nur mit klar unterscheidbaren Zuständen arbeitet. Für Menschen ist ein Buchstabe etwa ein Lautzeichen mit Bedeutung, für ein Programm ist er ein codiertes Zeichen. Für Menschen ist ein Foto ein Bild von einer Person oder Landschaft, für ein Programm ist es eine strukturierte Menge gespeicherter Werte. Genau diese Unterscheidung zwischen menschlicher Bedeutung und maschineller Darstellung ist zentral.
Grundideen Darstellung, Symbol, Zeichen, Zahl, Regel, Verarbeitung Informationsarten Text, Zahl, Bild, Ton, Farbe, Symbol Ein einfaches Beispiel ist ein Text. Wenn jemand auf der Tastatur ein A eingibt, speichert das Programm nicht den Klang oder die Bedeutung dieses Buchstabens, sondern einen zugeordneten Zeichenwert. Damit Texte gespeichert, angezeigt und weitergegeben werden können, braucht es feste Zuordnungen. Nur wenn Sender und Empfänger dieselbe Zeichenordnung verwenden, erscheint derselbe Text korrekt. Andernfalls können falsche oder unlesbare Zeichen entstehen.
Dadurch wird sichtbar, dass auch scheinbar einfache Texte auf geregelter symbolischer Darstellung beruhen. Ähnlich funktioniert es bei Zahlen. Zahlen können direkt als Rechenwerte verarbeitet werden, etwa in einer Tabellenkalkulation oder in einem Spielestand. Programme können Zahlen vergleichen, addieren, ordnen oder verändern, weil sie nach festen Regeln gespeichert werden. Dabei ist wichtig, dass eine Zahl für das Programm nicht nur eine mathematische Bedeutung hat, sondern eine darstellbare und berechenbare Datenform. Ob eine Eingabe als Zahl oder als Text gespeichert wird, kann deshalb einen großen Unterschied machen.
Die Zeichenfolge 25 kann etwa als Zahl zum Rechnen dienen oder als Text, der nur angezeigt wird. Bei Bildern arbeiten Programme ebenfalls nicht mit dem sichtbaren Motiv als Ganzem, sondern mit vielen einzelnen Informationen. Ein digitales Bild setzt sich aus kleinen Bildpunkten zusammen. Jedem Bildpunkt können Werte zugeordnet werden, zum Beispiel für Farbe und Helligkeit. Dadurch kann ein Programm Bilder speichern, vergrößern, verkleinern oder verändern. Ein Filter verändert dann nicht das Bild als Idee, sondern viele einzelne gespeicherte Werte.
So lässt sich erklären, warum Bilder technisch bearbeitbar sind und warum Qualität verloren gehen kann, wenn Informationen verändert oder verdichtet werden. Textbeispiele Buchstabe, Wort, Satz, Zeichenfolge, Leerzeichen, Sonderzeichen Zahlenbeispiele Alter, Punktestand, Preis, Temperatur, Messwert, Ergebnis Bildbeispiele Pixel, Farbe, Helligkeit, Auflösung, Filter, Ausschnitt Auch Töne werden in Programmen nicht als Musik oder Sprache gespeichert, sondern als darstellbare Werte. Ein Mikrofon nimmt Schall auf, ein Programm erfasst daraus digitale Informationen, die gespeichert und wiedergegeben werden können.
Je genauer und dichter diese Werte erfasst werden, desto präziser kann der Ton wiedergegeben werden. Damit wird verständlich, dass Programme Klänge nicht hören wie Menschen, sondern mit gemessenen und berechneten Darstellungen arbeiten. Programme verarbeiten Daten, indem sie Regeln auf gespeicherte Werte oder Symbole anwenden. Eine Suchfunktion prüft Zeichenfolgen, ein Taschenrechner verarbeitet Zahlen, eine Bildbearbeitung verändert Farbwerte, ein Musikprogramm ordnet Toninformationen. In allen
Fällen geschieht Verarbeitung nicht durch Verstehen im menschlichen Sinn, sondern durch festgelegte Operationen. Das Programm entscheidet nicht selbst, was etwas bedeutet, sondern führt Anweisungen auf Daten aus. Diese Einsicht ist wichtig, um Computer nicht mit menschlichem Denken gleichzusetzen. Ein Beispiel aus dem Alltag ist die Autokorrektur. Das Programm erkennt nicht wirklich den Sinn eines Satzes, sondern vergleicht eingegebene Zeichenfolgen mit gespeicherten Mustern und Regeln. Ähnlich funktioniert eine Rechtschreibprüfung.
Auch ein Taschenrechner versteht keine Rechenaufgabe wie ein Mensch, sondern verarbeitet Zahlen und Rechenzeichen nach festen Vorschriften. Ein Bildbearbeitungsprogramm erkennt Farben nicht als Stimmung, sondern als Werte, die geändert werden können. Dadurch wird deutlich, dass Programme auf Symbolverarbeitung beruhen. Verarbeitungsschritte eingeben, codieren, speichern, prüfen, verändern, ausgeben Programmbeispiele Taschenrechner, Textprogramm, Bildeditor, Musikapp, Suchfunktion, Spiel Ein weiterer wichtiger Lerninhalt ist die Rolle von Codes und Zuordnungen.
Damit Informationen einheitlich gespeichert und gelesen werden können, braucht es Vereinbarungen. Buchstaben müssen Zeichenwerten zugeordnet sein, Farben bestimmten Darstellungen, Toninformationen passenden Formaten. Solche Regeln sorgen dafür, dass Daten zwischen Programmen, Geräten und Netzwerken austauschbar bleiben. Wenn unterschiedliche Systeme unterschiedliche Regeln verwenden, können Fehler entstehen, etwa falsche Zeichen, beschädigte Bilder oder unlesbare Dateien. Auch Dateiformate hängen mit dieser Frage zusammen. Ein Programm kann Daten nur dann richtig öffnen und verarbeiten, wenn es die zugrunde liegende Struktur kennt.
Ein Textdokument, eine Bilddatei oder eine Audiodatei enthalten nicht einfach rohe Information, sondern eine geordnete Form der Speicherung. Deshalb können manche Programme bestimmte Dateien lesen und andere nicht. Das erklärt, warum dieselbe Information in verschiedenen Formaten unterschiedlich groß, unterschiedlich gut bearbeitbar oder unterschiedlich kompatibel sein kann. Fehler und Missverständnisse bieten besonders anschauliche Lernbeispiele. Wenn eine Zahl als Text gespeichert wird, kann ein Programm möglicherweise nicht damit rechnen. Wenn Zeichen falsch codiert sind, erscheinen statt eines Umlauts unverständliche Symbole.
Wenn Bilddaten beschädigt sind, fehlen Teile oder Farben. Wenn ein Programm eine Datei anders interpretiert, als sie gespeichert wurde, entstehen Darstellungsfehler. Solche Situationen helfen, die Bedeutung einheitlicher Datenrepräsentation konkret nachzuvollziehen. Regelsysteme Code, Zuordnung, Format, Struktur, Muster, Vorschrift Fehlerbilder Zeichensalat, Rechenfehler, Bildstörung, Tonfehler, Formatproblem, Datenverlust Didaktisch hilfreich ist der Vergleich mit Übersetzungen. Menschen übersetzen Gedanken in Sprache, Programme übersetzen Informationen in darstellbare Datenformen.
Ein Computer arbeitet also nicht direkt mit der Wirklichkeit, sondern mit Modellen und Symbolen dafür. Eine rote Ampel ist im Alltag ein Verkehrszeichen, im Programm kann sie als Farbwert, Bildpunktmuster oder Symbol gespeichert sein. Ein Name ist für Menschen eine Person, für ein Programm eine Zeichenkette. Ein Lied ist für Menschen ein Klangerlebnis, für ein Programm
eine Folge codierter Daten. Solche Vergleiche helfen, abstrakte Zusammenhänge verständlich zu machen. Ein weiteres Lernfeld ist die Trennung von Eingabe, Speicherung, Verarbeitung und Ausgabe. Bei einer Eingabe wird Information zunächst in eine geeignete Form gebracht. Danach speichert das Programm Daten in einer geordneten Struktur. Bei der Verarbeitung werden Regeln angewendet, etwa Vergleiche, Berechnungen oder Veränderungen. Schließlich erscheint eine Ausgabe, die für Menschen wieder lesbar, hörbar oder sichtbar ist.
Diese Abfolge zeigt, wie aus einer menschlichen Eingabe eine maschinelle Verarbeitung und wieder eine menschlich nutzbare Darstellung entsteht. Beispiele aus unterschiedlichen Fächern machen das Thema greifbar. Im Mathematikunterricht werden Zahlenwerte verarbeitet. Im Sprachunterricht kann man Zeichen und Texte betrachten. Im Kunstunterricht lässt sich digitale Bildbearbeitung mit Farbwerten verbinden. Im Musikunterricht kann man Tonaufnahme und Bearbeitung thematisieren. Im Informatikunterricht können einfache Codes, Muster oder Pixelbilder genutzt werden, um zu zeigen, wie Programme mit Symbolen statt mit Bedeutungen arbeiten.
So wird sichtbar, dass das Thema fachübergreifend relevant ist. Vergleiche Übersetzung, Bauplan, Muster, Raster, Zeichencode, Modell Abläufe Eingabe, Speicherung, Verarbeitung, Ausgabe, Rückmeldung, Kontrolle
Ziel des Themenbereichs ist nicht die vollständige technische Tiefe, sondern ein tragfähiges Grundverständnis: Programme können Informationen nur deshalb speichern und verarbeiten, weil Texte, Bilder, Töne, Zahlen und andere Inhalte in eindeutige Darstellungen übersetzt werden. Dadurch wird zugleich verständlich, warum Computer leistungsfähig sind, aber nicht wie Menschen verstehen. Sie arbeiten mit Datenformen, Symbolen und Regeln, nicht mit Bedeutung im menschlichen Sinn.
Weiterführende Links
- internet-abc.de
- klicksafe.de
- saferinternet.at
- code.org
- scratch.mit.edu
- csunplugged.org
11.3 Aufgaben für den Unterricht
11.3.1 Informationen in Symbole übersetzen
Die bewusste Übersetzung vertrauter Informationen in vereinfachte Zeichen- oder Zahlensysteme unterstützt die Schülerinnen und Schüler dabei zu verstehen, dass Programme nicht mit Bedeutungen, sondern mit eindeutig festgelegten Darstellungen arbeiten.
Die Lernenden erhalten Begriffe, Farben, kleine Bilder, Zahlen oder kurze Wörter und übertragen diese in selbst vereinbarte Codes, etwa Zahlenfolgen, Symbolreihen oder Rastermuster. Anschließend tauschen sie ihre codierten Informationen mit einer Partnergruppe, die sie wieder entschlüsseln muss. In der Auswertung wird besprochen, warum feste Regeln notwendig sind und was passiert, wenn Zuordnungen fehlen oder unterschiedlich verstanden werden. Dadurch wird anschaulich, dass Datenverarbeitung immer auf eindeutigen Symbolsystemen beruht.
Materialien Symbolkarten, Raster, Zahlencodes, Farbkarten, Arbeitsblatt, Codetabelle Schwerpunkte Codierung, Zuordnung, Eindeutigkeit, Entschlüsselung, Regelbindung, Verständnis Ergebnis Codetabelle, Austauschaufgabe, Reflexion
11.3.2 Texte als Zeichenfolgen untersuchen
Die genaue Betrachtung digitaler Texte fördert die Einsicht, dass Programme Buchstaben, Leerzeichen und Sonderzeichen nicht als Sprache verstehen, sondern als geordnete Zeichenfolgen nach festen Regeln speichern und verarbeiten. Die Schülerinnen und Schüler untersuchen kurze Texte auf ihre einzelnen Bestandteile. Sie zählen Buchstaben, Leerzeichen, Satzzeichen und Sonderzeichen und vergleichen, wie ein Programm einen Text erfassen könnte. Anschließend simulieren sie einfache Programmoperationen, etwa Suchen, Ersetzen, Sortieren oder Zählen von Zeichen.
In der gemeinsamen Besprechung wird deutlich, dass eine Textverarbeitung nicht den Sinn eines Satzes versteht, sondern mit Zeichenmustern arbeitet. So wird der Unterschied zwischen menschlichem Lesen und maschineller Verarbeitung greifbar. Textbestandteile Buchstabe, Leerzeichen, Satzzeichen, Umlaut, Ziffer, Symbol Operationen zählen, suchen, ersetzen, markieren, vergleichen, ordnen Lernprodukte Analysebogen, Ergebnistabelle, Merksatz
11.3.3 Zahlen und Text unterscheiden
Die Gegenüberstellung gleicher Eingaben in unterschiedlicher Datenform unterstützt die Schülerinnen und Schüler dabei, den Unterschied zwischen Zahlenwerten und bloßen Zeichenfolgen zu erkennen und die Folgen für die Programmverarbeitung zu verstehen. Die Lernenden erhalten Beispiele wie 25, 007, 3,5 oder 2026 und überlegen, ob diese Eingaben in einer konkreten Situation als Zahl oder als Text behandelt werden sollten. Danach bearbeiten sie kleine Aufgaben, in denen dieselbe Eingabe einmal berechnet und einmal nur angezeigt wird.
So wird sichtbar, dass ein Programm mit einer Zahl rechnen kann, mit einer gleich aussehenden Textfolge aber nicht unbedingt. Die Aufgabe verdeutlicht, dass Datentyp und Bedeutung für Menschen nicht immer identisch sind. Beispiele Alter, Hausnummer, Preis, Jahrzahl, Punktestand, Code
Ergebnis Zuordnungsliste, Fallanalyse, Kurzbegründung
11.3.4 Pixelbilder als Datenmodell erstellen
Die Arbeit mit Pixelrastern macht anschaulich, dass digitale Bilder nicht als Ganzes gespeichert werden, sondern aus vielen kleinen Einheiten bestehen, denen Programme Werte für Farbe oder Helligkeit zuordnen. Die Schülerinnen und Schüler gestalten kleine Schwarz-Weiß- oder Farbbilder auf kariertem Papier oder in einem Raster. Jedem Feld wird dabei ein Symbol, eine Zahl oder ein Farbwert zugeordnet. Danach tauschen die Lernenden nur die Codierung, nicht das fertige Bild, mit einer anderen Gruppe aus, die das Bild daraus rekonstruieren muss.
Anschließend wird besprochen, warum Bilder bearbeitbar sind und wie Programme mit einzelnen Bildpunkten statt mit Motiven arbeiten. Diese Aufgabe verbindet kreatives Gestalten mit informatischem Grundverständnis. Bildaspekte Pixel, Raster, Farbe, Helligkeit, Feld, Muster Methoden codieren, übertragen, rekonstruieren, vergleichen, auswerten, erklären Produkte Pixelbild, Codierblatt, Rekonstruktion
11.3.5 Ton und Muster als Daten denken
Die Übertragung von Klängen oder Rhythmen in einfache Zeichenfolgen unterstützt die Schülerinnen und Schüler dabei zu verstehen, dass auch hörbare Informationen für Programme in strukturierte Datenformen übersetzt werden müssen. Die Klasse erzeugt kurze Klangfolgen, Klatschmuster oder Rhythmusabfolgen und entwickelt dazu eine schriftliche Notation mit Symbolen oder Zahlen. Andere Gruppen lesen diese Darstellungen und versuchen, das ursprüngliche Muster möglichst genau nachzubilden. In der Auswertung wird besprochen, welche Informationen erfasst werden müssen, damit ein Tonmuster wiedergegeben werden kann, und warum Programme dafür feste
erfahrbar gemacht. Tonmerkmale Rhythmus, Reihenfolge, Dauer, Pause, Lautstärke, Wiederholung Darstellungen Zahlencode, Symbolreihe, Notation, Tabelle, Musterband, Zeichenfolge Erkenntnisse Struktur, Genauigkeit, Übersetzung, Vergleich, Verarbeitung, Wiedergabe
11.3.6 Einfache Programmregeln anwenden
Die Arbeit mit klaren Verarbeitungsregeln zeigt den Schülerinnen und Schülern, dass Programme Daten nicht verstehen, sondern nach vorgegebenen Anweisungen verändern, prüfen, kombinieren oder ausgeben. Die Lernenden erhalten einfache Regeln wie „ersetze jedes A durch 1“, „färbe jedes zweite Feld blau“, „addiere alle Werte über 5“ oder „markiere jedes Wort mit mehr als fünf Buchstaben“. Anschließend wenden sie diese Regeln auf vorgegebene Daten an und vergleichen ihre Ergebnisse. Danach formulieren sie selbst kleine Verarbeitungsanweisungen für andere Gruppen.
Die Aufgabe macht deutlich, dass Datenverarbeitung aus eindeutigen Operationen besteht und nicht aus freiem Interpretieren.
Regelarten ersetzen, zählen, färben, addieren, markieren, sortieren Datenformen Text, Zahl, Raster, Wortliste, Symbolreihe, Tabelle Lernprodukte Regelkarte, Bearbeitungsergebnis, Austauschaufgabe
11.3.7 Fehlerhafte Darstellungen erkennen
Die gezielte Untersuchung typischer Darstellungs- und Verarbeitungsfehler schärft den Blick dafür, dass Programme nur dann zuverlässig arbeiten, wenn Daten korrekt gespeichert, eindeutig interpretiert und im passenden Format verarbeitet werden. Die Schülerinnen und Schüler erhalten fehlerhafte Beispiele, etwa Zeichensalat, falsch codierte Umlaute, vertauschte Pixelmuster, unpassende Zahlenformate oder Textwerte in Rechenaufgaben. Sie analysieren, was schiefgelaufen sein könnte, und formulieren Verbesserungsvorschläge.
Anschließend besprechen sie gemeinsam, warum schon kleine Unterschiede in der Darstellung große Folgen für Programme haben können. Diese Aufgabe fördert ein tieferes Verständnis von Datenstrukturen durch bewusstes Arbeiten mit Fehlern. Fehlerbilder Zeichensalat, Zahlformat, Bildstörung, Leerzeichenfehler, Symbolmix, Datenverlust
Sicherung Fehlerprotokoll, Korrekturliste, Merkkarte
11.3.8 Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe verbinden
Die strukturierte Betrachtung eines vollständigen Ablaufs unterstützt die Schülerinnen und Schüler dabei, Datenverarbeitung als zusammenhängenden Prozess zu verstehen, in dem Informationen aufgenommen, umgewandelt, bearbeitet und wieder für Menschen verständlich ausgegeben werden. Anhand eines vertrauten Beispiels wie Taschenrechner, Textprogramm, Bildfilter oder Suchfunktion beschreiben die Lernenden, was eingegeben wird, wie diese Eingabe intern verarbeitet werden könnte und was am Ende als Ausgabe erscheint. Anschließend erstellen sie ein Ablaufdiagramm oder Schaubild mit den Schritten Eingabe, Speicherung, Verarbeitung und Ausgabe.
So entsteht ein geordnetes Modell, das zeigt, wie Programme aus Symbolen und Regeln sichtbare Ergebnisse erzeugen. Ablaufschritte Eingabe, Speicherung, Verarbeitung, Ausgabe, Rückmeldung, Kontrolle Beispiele Taschenrechner, Textsuche, Bildfilter, Musikplayer, Suchfeld, Spielstand Ergebnis Ablaufbild, Prozessschema, Kurzvortrag
11.3.9 Eigene Codesysteme entwickeln und testen
Die Entwicklung eigener Darstellungsregeln fördert besonders wirksam das Verständnis dafür, dass Programme nur dann sinnvoll arbeiten können, wenn Informationen in einer klaren, systematischen und für andere nachvollziehbaren Form vorliegen. Kleingruppen entwerfen ein eigenes kleines Codesystem für Farben, Bilder, Wörter oder Bewegungen. Anschließend dokumentieren sie ihre Regeln und geben nur die codierten Daten
an eine andere Gruppe weiter. Diese muss versuchen, die Bedeutung korrekt zu rekonstruieren. Danach wird reflektiert, welche Codes leicht verständlich waren, wo Mehrdeutigkeiten entstanden und warum standardisierte Darstellungen für Programme und Datenaustausch wichtig sind. Die Aufgabe verbindet Kreativität, Kommunikation und informatisches Denken. Arbeitsphasen entwerfen, festlegen, dokumentieren, austauschen, testen, auswerten Bewertungskriterien Eindeutigkeit, Verständlichkeit, Vollständigkeit, Regelklarheit, Fehleranfälligkeit, Nutzbarkeit Produkte Codesystem, Dokumentation, Testbericht
11.3.10 Reflexion und Ergebnissicherung
Die abschließende Sicherung hilft den Schülerinnen und Schülern, einzelne Beobachtungen aus Text, Zahl, Bild und Ton zu einem tragfähigen Grundverständnis über symbolische Datendarstellung und maschinelle Verarbeitung zusammenzuführen. Die Schülerinnen und Schüler halten schriftlich oder mündlich fest, warum Programme Informationen in Zahlen oder andere Symbole übersetzen, worin der Unterschied zwischen menschlicher Bedeutung und maschineller Darstellung liegt und welche Beispiele sie besonders anschaulich fanden. Zusätzlich benennen sie eine Situation, in der falsche Darstellung zu einem Fehler führen kann.
Die Ergebnisse werden als gemeinsame Übersicht gesammelt und dienen als Grundlage für weitere Themen wie Programmierung, Dateiformate oder Datenverarbeitung. Reflexionsfragen Wie speichert ein Programm, Was verarbeitet es, Was versteht der Mensch, Wo entstehen Fehler Sicherung Lernjournal, Exit Card, Merkblatt, Wandplakat
Grundlage: Digitale Grundbildung II – Lehrband 2. Klasse, Final V2.5.