Informatiker zum Anfassen

Der AK Informatik zum Anfassen hat mehrere Ergebniss hervorgebracht. Das wären das Manifest, die Spielideen und einige Ausarbeitungen.

Autoren: Mike aus Darmstadt, Fabian aus Karlsruhe, Christoph aus Trier, Patrick aus Graz

Anpassung an die Wiki-Layout-Syntax: Dave aus Dortmund

Migration ins neue Wiki: Jochen aus Darmstadt

Manifest

Informatik zum Anfassen

Die Grundidee zu diesem AK kam mir bei Vorbereitungen zur O-Phase. Es findet bei der Erstsemestereinfuehrung in Darmstadt grundsaetzlich eine Uni-Rallye statt, bei der seit einiger Zeit Kistenstapeln mit Monitorkisten eines der belustigenden Spiele ist. Ich dachte mir, das muesste man doch irgendwie informatischer machen, als einfach die Gruppe gewinnen zu lassen, die den hoechsten Turm aus maximal 20 Kisten baut. Warum nicht Binpacking nachbauen? Ein schoenes NP-Vollstaendiges Problem und es ist wirklich eine Herausforderung, die hoechste Punktzahl zu erreichen. Auch fuer die Veranstalter. Die Idee machte sich selbstaendig, die Fachschaftler bauten das Knapsack- Problem aus Holz nach: Auf einer Holzleiste muessen einzelne Holzstuecke mit moeglichst hohen Werten arrangiert werden, ohne dass die Reihe der Holzstuecke laenger wird, als die Leiste. Dies wurde dann auch erfolgreich als Bereicherung auf den Hochschul- und Berufsinformationstagen (HoBIT) praesentiert. Aha-Effekte stellten sich ein, als die ersten Fragen nach 'was ist da jetzt so schwer dran' kamen.

Die Grundidee soll also sein, Probleme aus der Informatik begreifbar, anfassbar, betatschbar, nachbaubar zu machen.

Lustige Spielchen wie das eben schon erwaehnte Monitorkistenstapeln, Festplatte- oder Mausweitwuerfe und der gleichen aehnliche kennt wohl jeder aus seinem/ihrem Fachbereich.

Der AK moechte ein Stueck ueber das Triviale hinaus und nicht-triviale Spiele und Knobeleien, die direkt aus der Informatik kommen, zum Anffasen nahe bringen.

Einsatzgebiete und Zielgruppen der anfassbaren Informatik

Denkbar sind Staende und Aufbauten bei (Schueler-/Erstie-) Informations- tagen, Fachtagungen, Messen. In Publikationen lassen sich Knobeleien als Gewinnspiele aufziehen.

Nicht zuletzt laesst sich auf Erstsemestereinfuehrungen sicher viel Spass erzeugen, indem man Themen, die spaeter in knochentrockener Atmosphaere auf dem Lehrplan stehen, anfassbar mit Spass darbietet.

Als Zielgruppen fuer anfassbare Informatik kann man ruhig alle in die engere Auswahl nehmen, mit denen eine Fachschaft so in Konakt kommt: Schueler, Erstsemester, KommilitionInnen, Mitarbeiten, Professoren, Eltern, Fachfremde, Fachpublikum.

Ziel ist, Probleme/Loesungen der Informatik so anschaulich aufzubereiten, dass eine Herausforderung mit Spass entsteht.

Betrachtungswinkel von anfassbarer Informatik

Nicht jeder Teilaspekt der Informatik hat den gleichen Informations- oder Spasswert, nicht jedes NP-Vollstaendige Problem laesst sich Publikumswirksam darstellen. Hier sind einige Kriterien, nach denen man die gefundenen anfassbaren Aspekte der Informatik bewerten kann:

Fachliche Relevanz/Einordnung

Anfassbare Informatik laesst sich nach Teildisziplinen der Informatik ordnen und nach dem Regeln der jeweiligen Disziplin einordnen. Optimierungsprobleme lassen sich nach ihrer Komplexitaet einordnen, Algorithmen haben verschiedene Anwendungsgebiete, etc. Die anfassbare Informatik laesst sich sicher in jeder Teildisziplin finden. Fuer die Praesentation ist jedoch manchmal nicht jedes Problem fuer jedes Publikum geeignet.

paedagogischer Effekt

Mit anfassbarer Informatik moechten wir auch etwas vermitteln: Problemkategorien der Informatik sollen durch die anfassbare Informatik einfacher zu unterscheiden werden. Es ist meist schwierig, einem Laien den Unterschied zwischen Sortieralgorithmus und Optimierungsalgorithmus zu erklaeren. Die Kategorien Logik, (formale) Sprachen, Komplexitaet, Berechenbarkeit, Modellierung (um nur ein paar zu nennen) sind fuer den Laien meist 'ei des ist doch Informatik und des auch' Anfassbare Informatik kann helfen, dies unterscheidn zu helfen. Wichtig, gerade in der Interaktion mit SchuelerInnen, die sich beruflich orientieren (muessen) ist fuer uns InformatikerInnen auch, klar aufzuzeigen, was Informatik ist und was Informatik _nicht_ ist. Fuer die Informatik wichtig sind Abstraktion und Modellierung. Unwichtig ist fuer das Fach das Rumgetippe auf dem Computer. Das Bild in der Oeffentlichkeit ist meist genau anders herum. Zuguterletzt kann anfassbare Informatik Akzeptanz fuer die Beschaeftigung mit den theoretischen Tiefen der Informatik schaffen. Nicht immer sind die Denkweisen, die InformatikerInnen so an den Tag legen, Salonfaehig. Ueblicherweise heisst es 'ach ihr redet wieder ueber euren Computerkram'.

Spassfaktor

Wenn Informatik anfassbar sein soll, und wenn ausdruecklich das Anfassen erwuenscht ist, dann muss die Sache auch Spass machen. Sonst fasst sie ja keiner freiwillig an. Spassfaktor erkennt man z.B. an Knalleffekten. Die Chemie macht es vor: Knallgasmischungen, Karamelliesirungsreaktionen, Galvanisierungen (Vergoldungen). Solche Knalleffekte haben oft im eigenen Fach wenig Relevanz: Wohl laesst sich mit einer Knallgasexplosion eine Exotherme Reaktion eindrucksvoll demonstrieren. Doch fachlich fuer die Chemie interessant sind eher die Dinge, die nicht direkt zu sehen sind. Aehnlich sollte man sich bei anfassbarer Informatik ruhig dazu hinreissen lassen, Sachverhalte etwas plakativer darzustellen, als den wissenschaftlichen Anspruch gut tut. Der erzielte Knalleffekt hilft in solchen Faellen mehr, wenn er ermoeglicht, dass Beschaeftigung mit der Materie ueberhaupt statt findet.

• Knobeleien sind, wenn sie zunaechst einfach erscheinen, immer etwas, das Aufmerksamkeit einfaengt.
• Ueberraschende Erkenntnisse oder Elegante Aufloesungen.
• Neuartigkeit
• Begreifbarkeit
  • bunte Bilder
  • Filme
  • Schachteln/Baukloetze

Informatik zum Anfassen - Ideensammlung / ausbeutbare Sachverhalte aus der Informatik

Überblick

Mit * gekennzeichnete Einträge sind bereits in der Entwicklung bzw. in den Spielanleitungen zu finden.

• Algorithmen:
  • Garbage Collection
  • Sortieren *
  • Rundweg auf Graphen
  • Ver-/Entschlüsselung
  • TCP/IP
  • Schaltnetze / Petrinetze
  • Kellerautomaten (polnisches Rechnen) *

• Optimierungsprobleme:
  • Travelling Salesman
    • auf Poster / Plakat zum Mitrechnen und Tipp abgeben
    • Mit Nadeln / Nägeln und Bindfaden *
  • Färbeproblem (4-Farben)
    • als Malbuch / Einschick-Gewinnspiel (leider schon bewiesen, dass es immer geht)
  • Knapsack
    • schon mal erfolgreich umgesetzt

• Rechenparadigmen / Architekturen:
  • Turingmaschine
  • Rekursion
    • Türme von Hanoi (?)
  • Parallelisierung
    • Spezialisten / Generalisten
  • endl. Automat
    • Cäsar, Vigenere, Chiffre
    • Eingabe = Name, Ausgabe="Horoskop" aufmalen auf Boden mit Kreide
      • nicht deterministischer Automat (aufgrund von Boden kein Überblick, d.h. Kreise nicht so einfach erkennbar)

• Formale Sprachen:
  • Wortkonstruktion mit Styroporbuchstaben und Folienschablonen

• Reduktion / Transformation:
  • ?

• Berechenbarkeit:
  • ?

Nähere Ausführungen / Möglichkeiten einiger Ideen, die noch nicht in den Spielanleitungen zu finden sind.

Garbage Collection / Speichermanagement

Mögliche Spielidee: (ähnlich Rucksackproblem nur auf Zeit)

mögliches Lernziel: Speichermanagement ist kein trivialer Vorgang, auch wenn es erst so aussieht.

Anzahl Spieler: 2/4

Benötigt: Verschiede Pappkartons ("Variablen") in verschiedenen Größen, die durchnummeriert sind. Zwei gleichgroße Kisten, die als Speicher für die "Variablen" dienen.

Anleitung: Es gibt zwei Teams, die gegeneinander spielen. Ziel ist es den Speicher möglichst effizient zu packen. In jedem Team gibt es einen Programmierer, der Variablen allokiert ("Schuhkartons") und auch freigibt ("Nummer auf Liste schreiben und wieder durchstreichen"). (Allokation/Deallokation zufällig oder max Anz von Variablen ?)

Und es gibt einen Speichermanager, der sich um die effiziente Anordnung des Speichers kümmert. Das ganze geht z.B. auf Zeit (1 1/2 Minuten oder so). Spielen die Spieler nicht parallel gegeneinander ist es auch mit nur 2 Mitspielern möglich.

Eventuell kann man auch die Regel einführen, dass "Garbage Collection" nur einmal durchgeführt werden darf. (Verschärfung?)

Gewonnen hat der Spieler / das Team der / die am geschicktesten den Speicher verwaltet haben.

Sortieren

siehe fertige Spielanleitungen

Ver/Entschlüsselung

• Diffie-Helman Schlüsseltausch
  • schwierig zu erklären, aber sehr eindrucksvoll, wenn die Mathematik einfacher wäre. (?)

• Public - Key Cryptograhie
  • Erklärungsmodell:
    • Tresor + Schlüssel
    • offener Tresor zum Empfänger
    • Nachricht wird in Tresor gepackt, Tresor verschlossen und zurückgeschickt.

TCP/IP

• Darstellung von Routern und dem Einpacken von Paketen (mehrfaches Packen, fragmentieren, usw.)
• Ringpufferdarstellungen (?)

Schaltnetze / Petrinetze

• Zeigen echter Parallelität
• Synchronisation (aufeinander warten)
• Deadlock

Formale Sprachen

Möglich ist es z.B. reguläre Grammatiken durch Schablonen / Puzzle-Teile abzubilden.

Aufgabe wäre dann z.B. zu entscheiden ob ein Wort zu der Sprache gehört oder nicht (ausprobieren) oder einfach mal versuchen alle möglichen (endlichen) Worte zu bilden. (es sind natürlich nicht unendlich Schablonen vorhanden)

Materialien und Anleitungen:

Ausarbeitung einiger Ideen: [1] (Credits gehen an Christoph Lange für diesen Teil)

Der reisende Informatiker (Deutschlandkarte auf A0, Infotext passend für A4-Flyer, Liste von 50 Städten mit Informatikfachschaften): [2]

Weitere Ideen:

Hier ist Platz für eure Ideen / Ausarbeitungen