UV 9.1 Innenansichten des Computers – von der Software zur Hardware

Leitfragen: Wie ist es zur Entwicklung von Computern gekommen? Aus welchen Hardware-Komponenten besteht ein Computer? Welche Software ist zur Funktion eines Computers erforderlich? In welcher Form verarbeitet ein Computer Daten intern?

Ausschärfung der Inhaltsschwerpunkte: Geschichte der EDV Zahldarstellung im Computer – Binär- und Hexadezimalsystem Grundrechenarten im Binärsystem Codierung von Zeichen im ASCII-Code von Neumann-Architektur vs. Harvard-Architektur Universalrechner EVA-Prinzip Betriebssysteme Anwendungssoftware Dienstleistungen der Betriebssysteme für die Anwendungssoftware Komponenten eines Universalrechners Kenngrößen von Rechnern (Taktfrequenz, Speicherarten, Speicherausbau, Speichermedien ...)

Vorhabenbezogene Konkretisierung:

In diesem Unterrichtsvorhaben zerlegen die Schülerinnen und Schüler einen Computer, identifizieren seine Hardwarekomponenten und lernen deren Aufgaben kennen. An Hand von Kenndaten beurteilen sie die Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten. Softwareseitig sind eine Firmware (BIOS, UEFI), ein Betriebssystem und Anwendersoftware zum Betrieb des Rechners erforderlich. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Aufgabenverteilung dieser verschiedenen Softwareschichten kennen und qualifizieren sich im zielgerichteten Umgang mit der Maschine. Dabei werden in diesem Unterrichtsvorhaben die angesprochenen Aspekte auf einem altersgemäß angemessenen Niveau angesprochen. Sachkundige Schülerinnen und Schüler erhalten die Gelegenheit sich in den Unterricht einzubringen.

Das Unterrichtsvorhaben gliedert sich in vier aufeinander aufbauende Unterrichtsbausteine:

• Am Anfang des Unterrichtsvorhabens steht ein kurzer Abriss über die Entwicklung von Rechenmaschinen. Es ist nicht beabsichtigt eine Zeitleiste als vollständige Übersicht zu entwickeln sondern exemplarisch einige interessante Entwicklungsschritte zu beleuchten. Die Auswahl wird dabei durch die Schülerinteressen geleitet.
• Es folgt eine Betrachtung der internen Zahldarstellung im Rechner. Die Schülerinnen und Schüler der Blaise-Pascal-Gesamtschule kennen die binäre Zahldarstellung bereits aus dem Mathematik-Unterricht. Beispielhaft werden binäre Zahlen addiert und multipliziert, um zu zeigen, dass man auch in diesem Stellenwertsystem genauso wie im Dezimalsystem rechnen kann. Eine Zuordnung von Zeichen zu Binär- oder Hexadezimalzahlen in der ASCII-Tabelle gewährt einen Einblick in die Tatsache, dass ein Rechner auch mit beliebigen alphanumerischen Zeichen umgehen kann. Für die Schülerinnen und Schüler ist aus den vorangegangenen Anwendungsfällen offensichtlich, dass ein Unterschied zwischen den Programmen und den Daten mit denen diese arbeiten besteht. Der Unterschied zwischen den Speichertechniken wird von der Lehrerin / dem Lehrer mit Hilfe einer Folie verdeutlicht.
• Ein wichtiger Aspekt bei der Arbeit mit einem Rechner besteht in der Erkenntnis, dass verschiedene Software-Schichten aufeinander aufbauen. Das Verständnis des Schichtenmodells hilft, Prozesse im Rechner und auch evtl. auftretende Fehlfunktionen besser einordnen zu können.
• Die Blaise-Pascal-Gesamtschule hat einige ausgemusterte Rechner in ihrer Informatik-Sammlung, an denen Schülerinnen und Schüler das Innenleben eines Computers kennenlernen. Sie informieren sich über Fragen wie Leistungsaufnahme, Speicherausbau, Prozessor, Grafik, Laufwerke und Schnittstellen. Dabei lernen sie deren Kenngrößen kennen und im aktuell erhältlichen Leistungsspektrum zu bewerten. Ein Rückblick auf die historische erste Teilsequenz bietet sich an.

In diesem Unterrichtsvorhaben werden Inhalte, die teilweise schon aus dem vorangegangenen Unterricht bekannt sind, vertieft und in einen Zusammenhang gebracht. Einige der inhaltsfeldbezogenen Kompetenzerwartungen erfüllen die Schülerinnen und Schüler bereits. Daher wird der Unterricht flexibel auf bereits vorhandene Kompetenzen aufgebaut.

Andererseits lassen sich die in diesem Unterrichtsvorhaben ausgewählten Unterrichtsinhalte beliebig vertiefen. Daher muss auf eine Einhaltung des vorgesehenen Zeitrahmens geachtet werden. Bei starkem Interesse der Schülerinnen und Schüler kann das Thema in einem Freiraum des WP-Unterrichts (z.B. vor Ferien) oder in einer AG weiter vertieft werden.

Zeitbedarf: 12 Std.

Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens:

Unterrichtssequenzen	Zu entwickelnde (inhaltsfeldbezogene konkretisierte) Kompetenzen	Vorhabenbezogene Absprachen / Beispiele, Medien, Materialien
Geschichte der EDV Vom Abakus über die mechanische Rechenmaschine zum Elektronenrechner Beispiele für Rechenmaschinen		Motivation: Besuch eines Computermuseums (z.B. Heinz-Nixdorf-Museum, Paderborn)
Wie werden Daten und Programme im Computer gespeichert? Zahldarstellung im Computer: Binär- und Hexadezimalsystem Addition und Multiplikation im Binärsystem Codierung im ASCII-Code Rechnerarchitekturen (von Neumann, Harvard) Universalrechner EVA-Prinzip	Die Schülerinnen und Schüler codieren und decodieren Daten mithilfe eines vorgegebenen Verfahrens oder im Rahmen einer Anwendung (IF1, MI)	Der Unterricht baut dabei auf folgenden Kompetenzen aus den Jahrgängen 7/8 auf: erläutern, wie Daten in geeigneter Weise codiert werden, um sie mit dem Computer verarbeiten zu können (IF1, A), nennen Beispiele für die Codierung von Daten (Binärcode, ASCII) und beschreiben verschiedene Darstellungsformen von Daten (in natürlicher Sprache, formalsprachlich, graphisch) (IF1, DI), beschreiben das Prinzip der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe (EVA-Prinzip) als grundlegendes Prinzip der Datenverarbeitung und ordnen ihm verschiedene Bestandteile eines Informatiksystems zu (IF4, DI), erläutern grundlegende Prinzipien eines von Neumann Rechners (IF4, A).
Softwareschichten Firmware (BIOS, UEFI) Betriebssyteme Anwendersoftware Aufgaben von Firmware, Betriebssystemen und Anwendersoftware	Die Schülerinnen und Schüler erläutern unterschiedliche Funktionen und Aufgaben von Betriebssystemen und Anwendungsprogrammen (IF4, A), benutzen das Betriebssystem und Anwendungsprogramme zielgerichtet (IF4, A), wählen geeignete Werkzeuge zur Lösung gegebener Problemstellungen aus (IF4, A).
Hardware Aufbau eines modernen Personal Computers Kenngrößen der Hardware-Komponenten	Die Schülerinnen und Schüler erläutern verschiedene Kenngrößen von Hardwarekomponenten (IF4, A), bewerten Informatiksysteme auf Grund ihrer Kenngrößen bezüglich ihrer Eignung zur Erfüllung vorgegebener Anforderungen (IF4, A), benennen ökologische Probleme, die durch die Produktion, Benutzung und Entsorgung elektronischer Systeme entstehen. (IF5, DI).	Der Unterricht baut dabei auf folgenden Kompetenzen aus den Jahrgängen 7/8 auf: benennen verschiedene Arten von Speichermedien und Speicherorten und erläutern Unterschiede (IF4, DI). Hinweis: Es bietet sich an, einen ausgedienten Rechner zur Verfügung zu haben, der in seine Bestandteile zerlegt und wieder zusammengebaut werden kann.
Lernzielkontrolle: Zuordnung von Beispielprozessen zu den Softwarekategorien Firmware, Betriebssystem, Anwendersoftware