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11 Angewandte Informatik (Zusatzangebot) (2)

Der Einsatz von Informationstechnologie bestimmt immer stärker die moderne Lebens- und Arbeitswelt; neben den bereits im Fach Natur und Technik (Schwerpunkt Informatik) angesprochenen Softwarewerkzeugen spielen dabei insbesondere auch Tabellenkalkulations- und Datenbanksysteme eine zentrale Rolle. Die Jugendlichen erwerben nun – über unverzichtbare Fertigkeiten im Umgang mit derartigen Systemen hinausgehend – weitere Einblicke in zeitbeständige und übertragbare Grundkonzepte der Informatik. Mit der funktionalen Modellierung und der statischen Datenmodellierung erlernen die Schüler grundlegende Techniken, mit deren Hilfe Aufgaben­stellungen, wie sie im Studien- oder Arbeitsumfeld auftreten, präzise erfasst und mit Werkzeugen der Informatik zielgerichtet gelöst werden können.

Vielfach lassen sich informationsverarbeitende Prozesse wegen ihrer Komplexität nur durch eine Gliederung in Teilprozesse überblicken. An praxisnahen Beispielen gewinnen die Schüler nun Kenntnisse, um derartige Verarbeitungs­vorgänge in einzelne Funktionen zu gliedern, deren Zusammenwirken in Form von Datenflüssen zu beschreiben und die Funktionen mithilfe geeigneter Softwarewerkzeuge, wie Tabellenkal­ku­lations­systemen, umzu­setzen.

In vielen Bereichen unserer Gesellschaft ist die effiziente Verwaltung sehr großer, komplexer Datenmengen mithilfe von Datenbanksystemen unverzichtbar geworden. Zur kompetenten Nutzung solcher Systeme benötigen die Schüler Einblicke in deren logische Struktur. Sie lernen an praxisnahen Beispielen, wie man Information für Datenbanken aufbereitet, die erarbeiteten Strukturen mit einem Datenbanksystem umsetzt und neue Information aus dem Datenbestand gewinnt. Die Beurteilung der Chancen und Risiken von Datenbanken setzt grundlegende Kenntnisse aus den Bereichen Datenschutz und Datensicherheit voraus, die anhand der bearbeiteten Beispiele erworben werden.

Das Zusatzangebot Angewandte Informatik kann nur von Schülern belegt werden, die in den Jahrgangsstufen 9 und 10 nicht am Informatikunterricht des Naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasiums teilgenommen haben.

Infang 11.1 Funktionale Modellierung; Tabellenkalkulationssysteme und funktionale Sprachen (ca. 28 Std.)

Die Jugendlichen lösen auch anspruchsvollere Aufgabenstellungen, z. B. aus dem kaufmännischen Bereich oder der Mathematik, unter Verwendung der funktionalen Sichtweise. Dabei wird ihnen bewusst, dass sich komplexe Prozesse durch eine Gliederung in Teilprozesse übersichtlicher darstellen lassen.

Um das Zusammenwirken von Teilprozessen zu beschreiben, nutzen die Jugendlichen gezielt Datenfluss­diagramme und setzen die dadurch beschriebenen Berechnungen zunächst in einem Tabellenkalkulations­program­m um. Sie lernen hierbei, Teilprozesse mit den vordefinierten Funktionen der Tabellenkalkulation zu realisieren und diese zu kombinieren. Die funktionale Sichtweise hilft den Jugendlichen auch, die Arbeitsweise dieser Softwarewerkzeuge zu verstehen und sie effizient zu nutzen.

Viele Aufgabenstellungen, wie z. B. die systematische Suche in vernetzten Strukturen, lassen sich vorteilhaft mithilfe rekursiver Verfahren lösen. Um Einblicke in das wichtige Prinzip der Rekursion zu erhalten, erwerben die Schüler Grundkenntnisse in einer funktionalen Programmiersprache, mit deren Hilfe sie rekursive Funktionen realisieren. Dadurch erweitern sie auch ihr Verständnis der funktionalen Modellierung. Insbesondere wird hier auch der Unterschied zwischen Funktion und Prozess deutlich.

  • Datenflussdiagramme: Funktion/Prozess, Datenfluss, Ein- und Ausgabe, Vertei­ler

  • Funktion als informationsverarbeitende Einheit: Bezeichner, Zuordnungsvorschrift, Eindeutigkeit, Eingangsparameter, Funktionswert; elementare Datentypen: Zahl, Text, Datum, Wahrheitswert

  • vordefinierte Funktionen, insbesondere bedingte Funktion („Wenn-Funktion“) und logische Funktionen

  • Tabellenkalkulationssysteme: Umsetzung von Datenflussdiagrammen in Terme, Realisierung der Datentypen (Zellinhalt und Ausgabeformat)

  • funktionale Sprache: Programm als Term; einfache Beispiele für rekursive Funktionen

Infang 11.2 Datenmodellierung und Datenbanksysteme (ca. 28 Std.)

Die Jugendlichen erkennen, dass zur Verwaltung großer, komplexer Datenmengen sowohl Kenntnisse über Datenmodellierung als auch die Fähigkeit zur Umsetzung der Modelle auf geeignete Softwareprodukte erforderlich sind. Sie lernen nun an praxisnahen Beispielen, relevante Information zu strukturieren, diese Strukturen auf ein Datenbankschema zu übertragen und mit einem Datenbankmanagementsystem zu realisieren. Ihr Wissen um die Möglichkeiten zur Auswertung des Datenbestands macht den Schülern auch die damit verbundenen Gefahren bewusst. Sie erwerben Kenntnisse, die sie befähigen, sensible Themen wie Datenzu­verläs­sigkeit, Datensicherheit und Datenschutz im fachlich gebührenden Rahmen zu diskutieren und zu be­urteilen.

Infang 11.2.1 Objektorientiertes Datenmodell, Konzeption und Auswertung von relationalen Datenbanken

Die Schüler strukturieren Daten aus Beispielen ihrer Erfahrungswelt durch Klassen sowie deren Beziehungen. Dabei erkennen sie, dass sich die gefundene Struktur sehr übersichtlich in Klassendiagrammen darstellen lässt. Um die so erstellten Modelle nutzen und ihre Brauchbarkeit überprüfen zu können, realisieren sie diese mit einem relationalen Datenbanksystem. Den Schülern wird bewusst, dass die Lösungskonzepte hierbei fortwährend kritisch überprüft und gegebenenfalls überarbeitet werden müssen.

Praxisnahe Fragestellungen verdeutlichen den Jugendlichen die Notwendigkeit, aus dem Datenbestand eines Datenbanksystems neue Informationen zu gewinnen. Hierfür führen sie gezielt auch komplexere Abfragen mithilfe einer geeigneten Abfragesprache (z. B. SQL) durch.

  • Objekt (Entität), Klasse, Attribut und Wertebereich

  • Klassendiagramm: Beziehungen zwischen Klassen, Kardinalität

  • Umsetzung von Klassendiagrammen in ein relationales Modell: Datensatz, Tabelle, Wertebereich, Eindeutigkeit der Datensätze, Primär- und Fremdschlüssel

  • Einfügen, Ändern, Löschen von Datensätzen mithilfe der Sprache des verwendeten Datenbankmanage­ment­systems

  • funktionale Sicht auf Abfragen: Abfragen einer Tabelle durch Projektion und Selektion, Ergebnistabelle, Abfragen über verknüpfte Tabellen (Join als Verkettung von Kreuzprodukt und Selektion), Unterabfragen

Infang 11.2.2 Korrektheit von Datenbankschemata

Beim Ändern und Löschen von Daten erfahren die Schüler, dass ein korrekter und erfolgreich nutz­barer Datenbestand bestimmte Forderungen an das Datenbankschema stellt. Sie lernen, das Datenbankschema entsprechend zu überprüfen und gegebenenfalls zu überarbeiten.

Die Schüler gewinnen mit dem Begriff der funktionalen Abhängigkeit die Grundlage für das Verständnis des Schlüsselkonzepts und der Normalformen. Sie sind in der Lage, Inkonsistenzen und Redundanzen auf die Verletzung der Normalformen zurückzuführen und damit Schwachstellen von Datenmodellen zu identifizieren.

  • Integritätsbedingungen auf Feld-, Datensatz- und Tabellenebene

  • Redundanz und Konsistenz von Daten, referentielle Integrität

  • funktionale Abhängigkeiten: Schlüsselkonzept, erste bis dritte Normalform

Infang 11.2.3 Datensicherheit und Datenschutz

In den bisher erarbeiteten Beispielen sind den Schülern beim Umgang mit Datenmengen bereits Themen aus den Bereichen Datensicherheit und Datenschutz begegnet; eine rückblickende Zusammenschau sorgt für ein tieferes Verständnis und Bewusstsein der Bedeutung von Datensicherheit und Datenschutz. Dabei erhalten die Schüler an geeigneter Stelle einen Einblick in verschiedene technische Verfahren, Daten dauerhaft zu speichern und zu sichern.

  • Datensicherheit, Einschränkung der Sicht auf Daten (View), Mehrbenutzerproblematik

  • Datenschutz, gesetzlicher Rahmen

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