Ein Blick in den Computer

Diese Unterrichtsreihe ist für die Informatik an Grundschulen konzipiert. Sie thematisiert die Bauteile eines Computers und deren Zusammenspiel, um den Lernenden einen Einblick in das sonst als "BlackBox" erscheinende Informatiksystem "Computer" zu gewähren. Die Unterrichtsreihe ist im Original auf der Seite des Schulministeriums zu finden und steht unter der Creative Commons-Lizenz CC-BY-SA.

Oft werden technische Geräte und deren Funktionen als selbstverständlich angenommen und das Wissen hinter dem sichtbaren Monitor fehlt. So können Kinder schnell eine Fehlvorstellung der Computerabläufe erhalten, wie bspw. die Vorstellung, dass der Computer einen Eigenwillen besitzt. Durch das Erarbeiten der mechanischen Abläufe im Computer wird das Bewusstsein geschaffen, dass Computer beherrschbar sind.<ref name=":0">Ministerium für Schule und Bildung [2]</ref>

Ziel der Unterrichtsreihe

Ziel des Moduls ist, den (kritischen) Blick der Kinder für die Vielfalt der Computerwelt zu schärfen und ein fundamentales Wissen über Computersprache und -komponenten zu vermitteln. Durch selbstständiges Gestalten und spielerische Komponenten lernen die Kinder die Relevanz von Informatiksystemen in der heutigen Gesellschaft sowie den inneren Aufbau von Informatiksystemen kennen. Der spielerische sowie gemeinschaftliche Ansatz weckt die intrinsische Motivation des Kindes. Das Kind kann sich als kompetent sowie autonom erleben und befindet sich im sozialen Austausch in der Klasse. Dieser Ansatz eignet sich vor allem in der Grundschule und ermöglicht so einen frühzeitigen Zugang zur Informatik.<ref name=":0" />

Zu erwerbende Kompetenzen

	Die Schülerinnen und Schüler …	Inhaltsbereich	Prozessbereich
C-K1	unterscheiden Gegenstände mit integriertem Computer von Gegenständen ohne Computer und kategorisieren diese.	Informatiksysteme, Informatik, Mensch & Gesellschaft	Strukturieren & Vernetzen, Darstellen & Interpretieren
C-K2	ordnen Beschreibungen den Abbildungen der Computer-Komponenten zu.	Informatiksysteme	Strukturieren & Vernetzen
C-K3	ordnen die Bauteile den richtigen Steckplätzen im Papierlaptop zu.	Informatiksysteme	Strukturieren & Vernetzen
C-K4	erklären die Kommunikation zwischen den Bauteilen eines Computers.	Informatiksysteme	Kommunizieren & Kooperieren
C-K5	verknüpfen das erworbene Wissen über Computer mit Berufen.	Informatik, Mensch & Gesellschaft	Strukturieren & Vernetzen
C-K6	reflektieren die Notwendigkeit von Computern in der Arbeitswelt.	Informatik, Mensch & Gesellschaft	Begründen & Bewerten

Diese Kompetenzen finden Anknüpfungspunkte an die Informatik Standards für die Primarstufe der GI.

Die Reihe kann ebenfalls in den Medienkompetenzrahmen NRW und in den Kernlehrplan Sachunterricht eingeordnet werden.

Ablauf der Unterrichtsreihe

Thema der Einheit	Kurzbeschreibung	Zeit (ca.)
Einführung „Die Vielfalt der Computerwelt“	Die SuS schauen sich unterschiedliche Alltagsgegenstände/Gebrauchsgegenstände an und reflektieren, ob in diesen Computer zu finden sind.	1 Stunde
Einheit 1 „Wir bauen unseren eigenen Laptop“	Die SuS lernen die Komponenten eines Computers kennen und basteln einen eigenen Laptop.	1 Doppel-stunde
Einheit 2 „Was passiert innerhalb des Computers?“	Die SuS können Prozesse im Computer nachvollziehen und stellen einen typischen Ablauf der Computerkomponenten im Rollenspiel dar.	1 Doppel-stunde
Reflexion/ Ausblick Berufe, Computer und künstliche Intelligenz “Kann der Computer den Menschen ersetzen?”	Die SuS erkennen, dass Computer in ihrer Umwelt allgegenwärtig sind und denken darüber nach, wie weit Aufgaben z.B. in der Berufswelt von Computern übernommen werden können.	1 Einzel-stunde

Genaue Beschreibung der Einheiten

Einführung<ref name=":0" />

Zur Einführung wird das Vorkommen von Computer im Alltag thematisiert. Im fachlichen Hintergrund werden dazu einige Beispiele genannt.

Hausaufgabe zur Stunde: Die SuS erhalten den Auftrag von zu Hause einen Lieblingsgegenstand/-spielzeug mitzubringen. Der Auftrag sollte so gestellt sein, dass elektronische Gegenstände mitbedacht werden.

Handlungsschritte	Materialien/Medien
Einstieg im Stuhlkreis In die Mitte werden die mitgebrachten Gegenstände ausgelegt und betrachtet. Die Lehrkraft kann weitere Gegenstände und/oder die Bildkarten in der Mitte auslegen, um das folgende Gespräch in die Richtung „Vorkommen von Computern in Gegenständen“ zu lenken. Das neue Thema (Welt der Computer) wird genannt. Die Kinder sollen sich zum Begriff „Computer“ äußern. Sie sollen darüber nachdenken, wo und wann sie Computern begegnen.  Dabei soll die Lehrkraft klarstellen, dass unter Computer nicht nur der bekannte PC oder Laptop gemeint ist.	·       Mitgebrachte Gegenstände ·       Ideenkarten ·       Computer-gesteuerte und nicht computer-gesteuerte Gegenstände
Arbeitsphase: Auf den genannten Alltagserfahrungen aufbauend denken die SuS über einen möglichen Zusammenhang zwischen Computern und den ausliegenden Gegenständen nach. Folgender Impuls kann gegeben werden: „Die vorliegenden Gegenstände können in zwei Kategorien unterteilt werden.“ Die SuS sollen die Gegenstände und Bildkarten bezogen auf das neue Thema in zwei Kategorien sortieren und ihre Einordnung begründen. Dieser Prozess wird von der Lehrkraft moderiert. Es wird erklärt, dass Computer nicht nur in einem Desktop Computer/Laptop zu finden sind, sondern auch in vorliegenden Gegenständen, wo der Computer zuerst "unsichtbar" ist. Bei diesen Gegenständen kann vor allem aus der Funktion geschlossen werden, dass darin ein Informatiksystem enthalten ist. Stolpersteine: Bei der Kategorisierung muss darauf geachtet werden, dass "enthält einen Computer" nicht mit "funktioniert mit Strom" gleichgesetzt wird. Zum Beispiel benötigt die ganz normale Uhr an der Wand des Klassenzimmers auch eine Batterie, um das Uhrwerk anzutreiben. Dieses funktioniert üblicherweise aber rein mechanisch und beinhaltet kein Computer, obwohl es mit Strom funktioniert. Wortspeicher: Computer, PC, Laptop, Rechner
Arbeitsphase II/Reflexion: Die SuS kommen in ein Gespräch zu ihren Erfahrungen mit Computern (ggf. in Partnerarbeit). Mögliche Impulse: Welchen Computern bist du in letzter Zeit begegnet? Wann benutzt du einen Computer?

Einheit 1: „Wir bauen unseren eigenen Laptop“<ref name=":0" />

In dieser Einheit werden die Bauteile eines Computers mit exemplarisch gezeichneten Abbildungen kennengelernt. Die Bauteile werden im fachlichen Hintergrund näher erklärt.

Vorbereitung für die Lehrkraft:

• Begriffskarten & Bildkarten der Bauteile kopieren
• AB 1 "Die Computerbauteile stellen sich vor" kopieren
• Bauanleitung kopieren
• Kopiervorlagen zum Basteln: MainBoard und Bildschirm zusammen auf DIN A3 Papier kopieren, Tastatur und Bauteile jeweils auf DIN A4 Papier kopieren (Achtung Bauteile: Auf einer Kopiervorlage sind die Bauteile zweifach abgedruckt)

So werden die Kopiervorlagen kopiert (Bilder nach Materialpaket - Ministerium für Schule und Bildung NRW <ref name=":1" />)

Mögliche Hausaufgabe:

Das selbstständige Ausfüllen der Tastatur kann vorab oder im Anschluss an die Einheit als Hausaufgabe aufgegeben werden.

Handlungsschritte	Materialien/Medien
Einstieg: Die Lehrkraft stellt den SuS das Thema vor: „Blick in das Innere eines Computers“ und erklärt, dass ein Computer immer bestimmte Bauteile benötigt, um zu funktionieren. Es werden die Begriffskarten der Komponenten (Mainboard, CPU, RAM, Festplatte und GPU) sowie die entsprechenden Bilder unsortiert an die Tafel geheftet. Die SuS können Vermutungen anstellen, welches Bauteil zu welchem Begriff gehört.	Begriffskarten Bildkarten 5 Computer-komponenten
Arbeitsphase I: Die Kinder sollen das AB „Die Computerbauteile stellen sich vor“ selbstständig bearbeiten. Zur Hilfe liegen im Klassenraum Hilfszettel aus. Anschließend werden die Bilder und Namen der Komponenten an der Tafel richtig sortiert, sodass alle Kinder ihre Zuordnung abgleichen können.	AB1 Tippkarten
Arbeitsphase II Die SuS erhalten eine Bauanleitung. Zuerst sollen sie diese in vier Teile zerschneiden, sodass sie ein Heftchen erhalten. Dann werden sie in den weiteren Arbeitsverlauf eingeführt. Mit der Bauanleitung sollen die SuS selbstständig arbeiten, sich die geeigneten Materialien von der Lehrkraft abholen und diese ausmalen, -schneiden und zusammenkleben. Anhand von drei Arbeitsschritten bauen die Kinder so ihren eigenen Laptop. Zusätzlich zu den Vorlagen können Musterlösungen ausliegen, sodass die Kinder selbständig kontrollieren können, ob ihre Komponenten korrekt zugeordnet wurden. Stolpersteine: Die Festplatte ist hier extern angebracht. Das liegt daran, dass sich die Bastelvorlage des Motherboards an einem PC orientiert, in dem deutlich mehr Platz ist als ein einem Laptop. In einem richtigen Laptop wäre die Festplatte innen verbaut, würde aber andere Bauteile verdecken und man könnte nicht mehr so viel sehen. CPU und GPU könnten vertauscht werden. Aber die CPU muss eben auf das passend große Feld aufgeklebt werden, während die GPU eine passende Lasche hat, mit der sie an den geeigneten schmalen Steckplatz geklebt werden kann.	Bauanleitung, Bastelvorlagen fertig gebastelte Musterlösungen
Reflexion: Nachdem alle Kinder ihren Laptop erstellt haben, dürfen sie ihren Laptop vorstellen: Sie nennen den Firmennamen und dürfen sich überlegen, wofür der Laptop genutzt wird. Die SuS können sich zu folgenden Leitfragen äußern: ·       Was sind die Besonderheiten deines Laptops? ·       Welchen Firmennamen hast du dir für deinen Laptop ausgedacht? ·       Was hat dir beim Basteln besonders Spaß gemacht? ·       Zeigt euren Mitschülern das Logo auf der Rückseite des Laptops Anschließend wird auf die Bauteile eingegangen. Die Festplatte ist außen angebracht und, wenn RAM und GPU senkrecht auf ihren Plätzen „stecken“, kann man die Tastatur nicht richtig herunterklappen. Das liegt daran, dass die Bastelvorlage zeigt, wie die Bauteile in einem PC angeordnet werden, da dort genug Platz dafür ist. In einem richtigen Laptop werden die Bauteile alle eng aneinander und übereinander geklebt, dass man nicht viel erkennen könnte. Zusätzlich kann thematisiert werden, dass bei der Verkleinerung des Platzes besonders auf die Kühlung der Bauteile geachtet werden muss, da zum Beispiel die CPU sehr warm werden kann.	fertig gebastelte Laptops der Kinder

Einheit 2: „Was passiert innerhalb des Computers?“<ref name=":0" />

Sie wollen Ihre Urlaubsfotos anschauen, öffnen den Ordner und klicken eins an. Das Bild wird in sekundenschnelle in dem voreingestellten Programm geöffnet. Doch was passiert hierbei im Computer? Im fachlichen Hintergrund wird der Ablauf schematisch erklärt. Im Unterricht kann der Ablauf im Computer durch ein Rollenspiel nachempfunden werden.

Die Einheit kann wie folgt ablaufen:

Handlungsschritte	Materialien/Medien
Einstieg/ Überleitung: Als Überleitung zu den gebastelten Laptops, kann thematisiert werden, was im Computer vorgeht, um dies Programm auf dem Bildschirm anzuzeigen. Dies kann theoretisch durchgesprochen werden, aber auch vorne am Beamer mit einem Beispielfoto durchgeführt werden. Leitfragen: Ich habe ein Bild auf meinem Computer gespeichert und möchte dieses nun öffnen, um es mir anzuschauen. Was muss ich dafür tun? Meistens geschieht dies, indem man auf ein Icon klickt, um das Bild mit einem Standardprogramm zu öffnen. Könnt ihr euch erklären, was in dem Computer vorgeht, wenn das Bild angeklickt und geöffnet wird? Die Vorstellungen werden offen im Raum stehengelassen und es wird das Rollenspiel eingeleitet, mit dem dieser Prozess verdeutlicht werden soll.
Rollenspiel vorbereiten: Die Klasse wird in drei etwa gleichstarke Gruppen aufgeteilt. Gruppe 1 spielt zuerst das Rollenspiel „Text anzeigen“. Die beiden anderen Gruppen nehmen eine Beobachtungsposition ein. In einem Rollenspiel sind sieben Rollen vorgesehen. Wenn mehr Kinder in einer Gruppe sind, sollten sich mehrere Kinder komplexere Rollen teilen. Wenn weniger Kinder in einer Gruppe sind, können kleine Rollen zusammengelegt werden. Hierfür bietet es sich an, “Nutzer” und “Maus” zusammenzulegen. Ebenfalls können “Grafikkarte” und “GPU” von einem Kind übernommen werden. Die Lehrkraft nimmt die Rolle des Spielleiters ein. Der Spielleiter stellt die gefüllte Festplattenkiste auf einen Tisch und befestigt den „Bildschirm“ an der Tafel. Er verteilt die Rollenkarten an die Kinder der Gruppe 1. Jedes Kind soll seine Rolle für sich durchlesen. Lageplan Rollenspiel - Rollen und ihre Materialien aus Materialpaket - Ministerium für Schule und Bildung NRW<ref name=":1">Ministerium für Schule und Bildung NRW [1]</ref> Die beobachtenden Kinder werden zu den verschiedenen Rollen zugeteilt und sollen im folgenden Rollenspiel speziell ihre zugeteilten Rollen beobachten. Sie erhalten einen spezifischen Beobachtungsauftrag (hier am Beispiel Festplatte): Beobachte den Schüler Festplatte ganz genau. Was tut er? Welche Aufgaben hat er im Computer? Bespreche dich nach dem Rollenspiel mit deinen Mitschülern, die auch die Festplatte beobachtet haben.	Materialien für 3 Rollenspiele
Rollenspiel vorspielen Das Rollenspiel „Text anzeigen“ wird durchgespielt, indem jedes Kind der Gruppe 1 die Aufträge ausführt, die auf den Rollenkarten stehen. Der Lehrer kann zu Beginn unterstützen, indem er durch seine Übersicht ansagt, welches Kind als nächstes an der Reihe ist. Anschließend können die beobachtenden Schüler beschreiben, welche Aufgabe die einzelnen Rollen hatten. Dann werden die Gruppen getauscht: Gruppe 2 spielt das Rollenspiel „Bild anzeigen“ vor Gruppe 3 spielt das Rollenspiel „Musik abspielen“ vor Zur Besprechung dieser Rollenspiele kann zusätzlich thematisiert werden: Fallen Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu den anderen Rollenspielen auf?
„Blindes“ Rollenspiel Nachdem alle Rollenspiele durchgespielt wurden, werden alle Rollenspiele zusammengelegt. Dazu werden alle drei Bildschirme an der Tafel nebeneinander befestigt, die Maus erhält die Codeblätter aus allen Rollenspielen und es wird eine Festplattenkiste benötigt. Nur der Nutzer und die Maus können den Bildschirm sehen. Alle anderen Rollen müssen sich ggf. von der Tafel wegdrehen. Wie in den Rollenspielen vorher schon aufgefallen sein könnte, haben die meisten Rollen immer dieselben Aufträge – unabhängig davon, ob am Ende ein Bild oder ein Text angezeigt werden soll. Der Nutzer kann sich nun aussuchen, ob er auf das Haus, „Alle meine Entchen“ oder „Brief an meine Lehrerin“ klickt. Die Maus gibt dann das entsprechende Codeblatt weiter. Die weiteren Rollen arbeiten nun „blind“ ihre Aufträge ab. Am Ende sollte genau das am Bildschirm angezeigt werden, was am Anfang vom Nutzer angetippt wurde.
Rollenspiel besprechen Die Aufgaben der verschiedenen Rollen werden besprochen. Gemeinsamkeiten zwischen den verschiedenen Rollenspielen: interne Rollen wie CPU und Arbeitsspeicher machen immer dasselbe es werden immer Daten (Programme und Dateien aus der Festplatte abgeholt) Unterschiede zwischen den verschiedenen Rollenspielen: es werden, abhängig von dem was die Maus generiert, verschiedenen Programme und Dateien angezeigt Das „blinde“ Rollenspiel zeigt, dass die inneren Bauteile gar nicht wirklich wissen, was sie machen, da sie nur Befehle abarbeiten, aber gar nicht wissen, was genau der Nutzer angetippt hat. Trotzdem schaffen sie es, dass am Ende das Richtige angezeigt wird. Vertiefend kann die Frage gestellt werden, ob man die Rolle des Spielleiters in einem echten Computer auch wiederfindet. Hier werden verschiedene Antworten der SuS erwartet. Jedoch sollte herausgestellt werden, dass die Bauteile immer wissen, was zu tun ist und keinen Spielleiter brauchen, der ihnen weiterhilft, da sie nicht vergessen oder mal abgelenkt sind.
Transfer Zum Abschluss der Unterrichtsstunde kann die Frage gestellt werden, wie sich die SuS einen allgemeinen Ablauf in einem Computer vorstellen können (indem sie von den Beispielen in den Rollenspielen abstrahieren) und inwiefern ihre Vorstellungen, die sie zu Beginn der Stunde geäußert haben, zutreffen/ korrekt waren.

Ausblick/ Reflexion: Berufe und Computer<ref name=":0" />

Handlungsschritte	Materialien/Medien
Einstieg: Es soll das Berufe-Wissen der Kinder aktiviert werden. Jedes Kind erhält ca. 3 Streifen, auf die es bekannte Berufe groß aufschreiben soll. Im Anschluss werden die Streifen gesammelt und an der Tafel geclustert. Es entsteht eine Diskussionsrunde über die Berufe. Die Kinder sollen ihre Meinung äußern, ob in dem entsprechenden Berufsfeld mit der Hilfe von Robotern/ Computern gearbeitet wird.	Tafel, Papier
Verbindung zur Einführungsstunde: Als Reflexion wird anschließend die Verbindung zur Einführungsstunde hergestellt. Viele der Systeme aus den angesprochenen Berufen sehen anders aus, als ein Laptop/ Desktopcomputer, bedienen sich aber einem ähnlich aufgebauten Prinzip. Es soll ein Bewusstsein dafür geschaffen werden, dass man im Alltag vielen Computern begegnet und nicht nur den bekannten Laptops/ Desktopcomputern. In allen Informatiksystemen spielen sich aber ähnliche Vorgehensweisen ab, wie im Rollenspiel gesehen: Eingaben werden von den verschiedenen Bauteilen verarbeitet und aus den Speichern geholt, um eine Ausgabe zu erzeugen. Deshalb wird dieses Prinzip auch EVA genannt: Eingabe- Verarbeitung- Ausgabe

weiterführende Videos und Informationen

• KIT: Wie funktioniert ein Computer? Genaues Erklären des Speicherprozesses https://www.youtube.com/watch?v=tNUI7q4GpbU
• Sendung mit der Maus: Erklären des Vorgangs im Computer beim Einschalten und be Eingabeprozessen https://www.youtube.com/watch?v=5PJZz04JGjs&t=7s

Evaluation des Unterrichtsreihe

Die Unterrichtsreihe wird evaluiert, indem die Einheiten in verschiedenen Grundschulen im Rahmen des Sachunterrichts oder in AG´s ausprobiert werden. Die Rückmeldungen und Verbesserungsvorschläge werden während dieser Phase laufend in die Reihenbeschreibung oben eingearbeitet.

Bisher hat eine erste Erprobung im Rahmen einer AG stattgefunden, die vor allem für Einheit 2 neue Erkenntnisse geliefert hat. Eine zweite Erprobung der Unterrichtsreihe sollte im März 2020 stattfinden, die aber aufgrund von den Schulschließungen wegen Corona nicht durchgeführt werden konnte.

Verknüpfung mit den anderen Modulen aus "Informatik an Grundschulen"

Diese Reihe kann durch die Module "Robotik" und Digitale Welt aus dem Projekt Informatik an Grundschulen ergänzt werden. Der Aufbau eines Computers mit dem EVA-Prinzip wird ebenfalls im Robotik-Modul thematisiert, da auch Roboter einem solchen Prinzip entsprechen. In dem Modul werden die technischen und gesellschaftlichen Aspekte von Robotern untersucht und erste Programmiererfahrungen gewonnen.

Man kann ebenfalls eine Verbindung zum Modul "Digitale Welt" ziehen. Im Rollenspiel (Einheit 2 dieser Reihe) können die Kinder die Kommunikation in einem Computer nachempfinden. Dort kann im Anschluss thematisiert werden, dass die Bauteile nicht wirklich untereinander auf Deutsch "reden". Ihre Kommunikation basiert auf Befehlen und Daten, die sie im Binärcode übermitteln. Die Codierung von Zahlen aus unserem bekannten Dezimalsystem oder Buchstaben in das Binärsystem (Nullen und Einsen) wird im Modul "Digitale Welt" gezeigt und durch Codieren von Nachrichten geübt.

Digitkits: Ein Blick in den Computer

Nach der Erprobung soll eine Kiste mit allen Materialien der Unterrichtsreihe befüllt werden, die zur Umsetzung der Reihe nötig sind. Lehrkräfte können sich die Kiste (digikits) ausleihen und werden so entlastet, da sie die Materialien direkt vorliegen haben.

Die Kiste soll mit den folgenden Materialien befüllt sein:

• Mappe mit Reihenplanung, Kopiervorlagen der Arbeitsblätter und fachlichem Hintergrund
• Bildkarten für den Einstieg
• Wort-& Bildkarten mit Komponenten des Computers (Einheit 1)
• Kopiervorlagen zum Laptop Basteln (Einheit 1)
• fertig gebastelte Laptops
• einen alten Laptop, der auseinandergeschraubt werden kann, um ihn mit den gebastelten Laptops zu vergleichen
• fertige Sets für alle 3 Rollenspiele (Einheit 2)

<references />