Computer verwenden heutzutage Binärzahlen um Daten darzustellen – deshalb werden sie auch digitale Systeme genannt. Die einfachste und gebräuchlichste Art und Weise, Zahlen darzustellen, ist das binäre Zahlensystem, das aus nur zwei Ziffern besteht (normalerweise als 0 und 1 geschrieben). Es wird binär genannt, da es nur zwei verschiedene Ziffern bzw. Zustände gibt.
Bits werden normalerweise in einer Speicherzelle im Innern eines Computers gespeichert. Dabei handelt es sich um einen elektronischen Schaltkreis, der auf einen hohe Spannungspegel (1) oder einen niedrigen Spannungspegel (0) eingestellt werden kann. Auf Festplatten werden sie durch Magnetismus oder Reflexion dargestellt.
Ein typischer Computer enthält Milliarden dieser Bits und speichert damit Texte, Zahlen, Bilder, Videos und alles andere, was sonst noch gespeichert oder übermittelt werden muss. Auf Computernetzwerken werden Bits mittels Licht, Spannungen oder Tönen übertragen. Alles, wovon es zwei verschiedene Werte gibt, kann ein Bit darstellen!
Das binäre Zahlensystem spielt eine wichtige Rolle dabei, wie die verschiedenartigsten Daten auf Computern gespeichert werden. Wenn wir binäre Darstellung verstehen, lichtet sich das Mysterium Computer um einiges, da Computer im Wesentlichen nichts anderes als Geräte sind, die binäre Einheiten ein- und ausschalten. Computer sind simple Maschinen und benötigen genaue Anweisungen, um komplexe Aufgaben auszuführen.
Binärzahlen als Einführung in informatischem Denken zu unterrichten, führt Schüler an Algorithmen und Dekomposition heran, während sie lernen, die Problemstellungen beim Kalkulieren binärer Zahlen und bei der Umwandlung zwischen binären und dezimalen Zahlen in einzelne Schritte zu zerlegen, denen Sie zur Lösung dieser Problemstellungen folgen können. Zudem macht es Schüler mit Abstraktion bekannt, wenn sie lernen, dass sich sämtliche Informationen anhand von zwei gegensätzlichen Dingen darstellen lassen. Es zeigt ihnen, dass ein Computer eigentlich gar nicht so komplex ist und dass wir einfache Konzepte auf clevere Weise anwenden, um Computer außergewöhnliche Dinge leisten zu lassen!
Jede Null oder Eins wird als Bit bezeichnet. Bit ist die Abkürzung für Binäre Einheit.
8 zusammengruppierte Bits werden als Byte bezeichnet und Computer speichern Daten in Bytes. Ein Byte ist eine praktische Anzahl von Bits, da es Dinge wie einfache Zeichen, kleine Zahlen und eine nützliche Palette an Farben speichern kann. Allerdings werden Daten normalerweise mithilfe Gruppen von Bytes gespeichert.
Das binäre Zahlensystem beruht auf der Basis 2. Es gibt also nur zwei Ziffern, bevor wir zum nächsten Stellenwert übergehen müssen: 0 und 1.
Menschen verwenden normalerweise das dezimale Zahlensystem, das auf der Basis 10 beruht. Hier haben wir daher zehn Ziffern, bevor wir zum nächsten Stellenwert übergehen: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9.
Die Anzahl der zur Darstellung von Zeichen in einem Text verwendeten Bits wirkt sich auf den Umfang verfügbarer Zeichen aus. Eine kurze Darstellung ist kompakter, kann jedoch nicht die Zeichen aller Sprachen darstellen.
Die Anzahl der zur Darstellung von Farben verwendeten Bits wirkt sich darauf aus, wie farbgetreu diese dargestellt werden.
Die Anzahl der zum Speichern von Ton- oder Musikaufnahmen verwendeten Bits wirkt sich auf die Qualität der Musik oder Bilder aus.
Beim Konzipieren eines neuen Programms (etwa Speichern genetischer Daten oder Darstellen von Gerüchen) muss die zum Speichern eines Symbols geeignete Anzahl an Bits gewählt werden – genügend, um genau zu sein, aber nicht zu viele, um es nicht zu übertreiben.
Bei Verschlüsselungs- und Sicherheitsprogrammen gilt: Je mehr Bits ein Sicherheitsschlüssel enthält, desto sicherer ist er.
Beim Kauf eines Geräts beziehen sich die in Bits angegebenen Maßeinheiten darauf, über wie viel Speicherplatz das Gerät verfügt und welcher Datenumfang auf verschiedenen externen Speichergeräten gespeichert werden kann.
Zuverlässige Schaltungen für digitale Geräte lassen sich viel einfacher konstruieren, wenn nur zwei Einheiten am Werk sind.
Aus allen Lektionen ergeben sich Verbindungen zu informatischem Denken. Nachstehend sind ein paar allgemeine Verbindungen aufgeführt, die diesen Inhalt betreffen.
Teaching computational thinking through CSUnplugged activities supports students to learn how to describe a problem, identify what are the important details they need to solve this problem, break it down into small logical steps so that they can then create a process which solves the problem, and then evaluate this process. These skills are transferable to any other curriculum area, but are particularly relevant to developing digital systems and solving problems using the capabilities of computers.
Diese informatischen Denkkonzepte sind alle miteinander verbunden und stützen sich gegenseitig. Insoweit möchten wir jedoch anmerken, dass nicht alle Aspekte des informatischen Denkens in jeder Unterrichtseinheit oder Lektion vorkommen. Wir haben jeweils die für Sie wichtigen Verbindungen hervorgehoben, um Ihre Schüler in Aktion zu beobachten. Unser Artikel zu informatischem Denken enthält weitere Hintergrundinformationen dazu, wie wir informatisches Denken definieren.
Es gibt einige wichtige Algorithmen, die Schüler aus dieser Unterrichtseinheit lernen und nachvollziehen können. Diese Algorithmen sind Lösungskonzepte zu den Aufgabenstellungen „Wie wandeln wir dezimale in binäre Zahlen um?“, „Wie stellen wir Buchstaben mithilfe von Binärzahlen dar?“ und „Wie wandeln wir eine in Binärcode geschriebene Nachricht wieder in Buchstaben um?“. Die Schüler erhalten die Aufgabe, diese Algorithmen genau zu befolgen, sie in Worte zu fassen und zu erklären.
Die binäre Darstellung von Zahlen ist eine Abstraktion, hinter der sich die Komplexität der innerhalb eines Computers befindlichen Elektronik und Hardware verbirgt, mittels der Daten gespeichert werden. Abstraktion hilft uns, Dinge zu vereinfachen, da wir Einzelheiten ignorieren können, die wir gegenwärtig nicht wissen müssen.
Bei der Dekomposition wird beispielsweise die Umwandlung einer Zahl zur Binärzahl in die einzelnen Bits zerlegt. Die Frage „Sollte dies 1 oder 0 sein“ für jede Punktekarte zerlegt das Problem in eine Reihe von Fragestellungen.
Das Erkennen von Mustern in der Funktionsweise des binären Zahlensystems hilft uns dabei, die damit einhergehenden Konzepte besser zu verstehen und diese Konzepte und Muster zu verallgemeinern, um sie dann auf andere Probleme anzuwenden.
Logisches Denken bedeutet, von bereits bekannten Regeln Gebrauch zu machen und von diesen Regeln unter Einsatz von Logik weitere Regeln und Informationen abzuleiten. Sobald wir wissen, welche Zahlen die einzelnen Binärkarten darstellen, können wir mithilfe dieses Wissens herausfinden, wie weitere Zahlen mit den Karten dargestellt werden können. Wenn wir uns nun einprägen, wie wir die mit fünf Karten möglichen Zahlen darstellen können – bedeutet dies, dass wir dann wissen, wir wir jede beliebige Zahl mit einer bestimmten Anzahl von Bits darstellen können? Das bedeutet es zwar nicht, aber wir können nachvollziehen, wie es funktioniert, wenn wir die Logik verstehen, auf deren Basis diese Zahlen mit den fünf Karten dargestellt werden.
Im Zuge einer Auswertung kann zum Beispiel ermittelt werden, wie viele verschiedene Werte mit einer bestimmten Anzahl von Bits dargestellt werden können (z. B. 5 Bits können 32 verschiedene Werte darstellen) und umgekehrt (um 1 000 verschiedene Werte darzustellen, werden mindestens 10 Bits benötigt).