STIU 2024 – 13. Schweizer Tag für Informatikunterricht

Ein KI-Kurs und -Wettbewerb für Jugendliche in der Schweiz

Der KI-Wettbewerb wurde 2022/23 zum ersten Mal durchgeführt und befindet sich 2024 in der zweiten Runde. Schülerinnen und Schüler im Alter von 13 bis 19 haben die Möglichkeit, ein eigenes KI-Projekt umzusetzen. Dabei werden sie vom ETH AI Center begleitet und unterstützt. Sie erhalten Einblick in die aktuelle Durchführung, wie der Wettbewerb abläuft, was Jugendliche zur Teilnahme motiviert, und welche Unterstützung das ETH AI Center für teilnehmende Schülerinnen und Schüler und deren Lehrpersonen anbietet. Weiter besprechen wir, wie Maturaarbeiten in diesem Rahmen durchgeführt werden können.

Leitung: Fiona Könz, AI Center der ETH Zürich, Projektleiterin Schweizer KI-Wettbewerb

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Lehrpersonen, insbesondere jene die Maturaarbeiten in Informatik betreuen

Eine praktische Anwendung der Algorithmik im Unterricht

In unserer Abschlussarbeit im Rahmen der Ausbildung von Lehrpersonen für Informatik an Gymnasien (GymInf) haben wir uns mit Algorithmen zur Rekonstruktion von Abstammungslinien anhand molekularer Daten beschäftigt. Werden beispielsweise von verschiedenen Organismen Protein- bzw. DNA-Abschnitte sequenziert, können aus dem Datenmaterial Stammbäume konstruiert werden. Mit zunehmender Anzahl Taxa resultieren dabei verschiedene Baumstrukturen, welche in ihrer Anzahl exponentiell ansteigen.

Daher wurden im Laufe der letzten 50 Jahre heuristische Algorithmen entwickelt, die mit vertretbarem Aufwand die verwandtschaftliche Nähe der untersuchten Arten ermitteln können. Wir stellen eine Auswahl heute gebräuchlicher Verfahren und deren Einsatzbereiche vor. Mit der frei erhältlichen Software MEGA (Molecular Evolutionary Genetics Analysis) werden wir die Algorithmen auf reale Datensätze anwenden und deren Resultate diskutieren.

Leitung: Wolfgang Gehrig, Mittelschule Nidwalden; Raphael Riederer

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Gymnasiallehrpersonen und Personen, die sich für Bioinformatik / Computational Biology interessieren

Voraussetzungen: Für das Bearbeiten der praktischen Übungen ist ein Laptop nötig.

Algorithmenentwurf im gymnasialen Informatikunterricht

Algorithmenentwurf gehört zu den schwierigsten Themen des gymnasialen Informatikunterrichts. Dies kommt dadurch, dass ein übliches algorithmisches Problem aus unendlich vielen Problemfällen (Instanzen) besteht und ein Algorithmus eine Methode ist, die in allen unendlich vielen Fällen das korrekte Resultat berechnet. Diese Korrektheit zu begründen, auch wenn nur informell, stellt für die Gymnasiastinnen und Gymnasiasten eine grosse Herausforderung dar, die man aber beim Algorithmenentwurf nicht vermeiden kann. Deswegen ist es nicht ratsam zu versuchen, spezielle Algorithmen zu unterrichten, die bei einer kleinen Modifikation der Problemstellung nicht mehr funktionieren. Im Workshop fokussieren wir auf Algorithmen, die bei einer grossen Vielfalt von Problemstellungen zur Entwicklung von erfolgreichen Lösungswegen führen und zeigen, wie man sie fachdidaktisch gut vermitteln kann.

Leitung: Prof. em. Dr. Juraj Hromkovič, ETH Zürich

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Gymnasiallehrpersonen für das Fach Informatik

Voraussetzungen: Keine

Wie mit Rätseln und Spielen Informatikkompetenzen gefördert werden können

Eine Kompetenz entspricht einer Expertise, mit der man anhand von bestehendem Wissen und von Erfahrung in neuen Situationen erfolgreich originell handeln kann. Um Kompetenzen spielerisch zu erreichen, folgen wir dem Konzept «Learning by getting things to work» von Seymour Papert.

Die Kinder lassen wir konstruktiv Neues gestalten und fordern sie danach auf, ihre eigenen Produkte (Geheimschriften, Kodierungen, Zahlendarstellungen, Aufgabenlösungen, Prozessbeschreibungen etc.) auf deren Eigenschaften und Funktionalitäten zu untersuchen und mit anderen Produkten zu vergleichen.

Eine hohe Motivation entsteht durch die Ideen, die eigenen Produkte weiterzuentwickeln, um sie zu verbessern. Die Lehrpersonen erhalten in diesem Workshop Ideen zur Gestaltung des Unterrichts in Bereichen der Datendarstellung, der Sicherheit (Geheimschriften), des Lösens von algorithmischen Problemen und mittels ursprünglicher Zahlendarstellungen zur verständlichen zeichnerisch-schriftlichen Beschreibung der Ausführung von arithmetischen Operationen.

Leitung: Prof. em. Dr. Juraj Hromkovič, ETH Zürich; Regula Lacher, ETH Zürich

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Lehrpersonen der Primarschule

Voraussetzungen: Keine

Logo und Python: Brücken zum abstrakten Denken im Unterricht

Der Wechsel vom konkreten zum abstrakten Denken ist ein Meilenstein im Lernprozess eines jeden Kindes. Dabei erlaubt der Programmierunterricht den Lernenden, individuell auf unterschiedlichen Stufen zu arbeiten, indem sie sich beispielsweise mit einzelnen konkreten Problemen (Probleminstanzen) beschäftigen oder grössere Gruppen von Problemen (Problemklassen) als Ganzes untersuchen.

In diesem Workshop konzentrieren wir uns auf den Übergang vom konkreten zum abstrakten Denken im Kontext des Programmierunterrichts anhand der webbasierten Lernumgebungen XLogoOnline und Python Spacebug. Der Workshop richtet sich an interessierte Lehrpersonen des 2. und 3. Zyklus, Schulleitungen, Eltern und Bildungsvertreterinnen und -vertreter, unabhängig davon, ob sie bereits Erfahrung im Programmierunterricht haben oder nicht. Durch Beispiele, Diskussionen und praktische Übungen lernen Sie, Ihre Schülerinnen und Schüler auf ihrem individuellen Weg zu begleiten und den Schritt zur Abstraktion erfolgreich zu meistern.

Leitung: Dirk Schmerenbeck, Universität Trier; Jun.-Prof. Dr. Jacqueline Staub, Universität Trier

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Lehrpersonen der Zyklen 2 und 3

Voraussetzungen: Laptop mit Internetzugang

Die SuS schreiben Programme, die auf der ISS ausgeführt werden

Die AstroPi-Challenge (https://astro-pi.org) bietet Schülerinnen und Schülern ab der 4. Klasse die Möglichkeit, Programme auf einem Raspberry-Pi-Computer (Astro-Pi) auf der Internationalen Raumstation ISS laufen zu lassen. Im Workshop stellen wir die Challenge vor und zeigen Beispiele, wie man diese in den Unterricht integrieren kann. Die Schülerinnen und Schüler können so über das Weltraum-Thema fürs  Programmieren motiviert werden.

Im Workshop schreiben die Teilnehmenden unter Anleitung selbst ein kurzes Programm für den Astro-Pi (Programmiersprache Python) und testen dieses mit dem Emulator (webbasierter Simulator). Erfolgserlebnisse sind garantiert!

Leitung: Dr. Magdalena Herová, Hochschule Luzern

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Zyklus 2 und 3

Voraussetzungen: Eigenen Laptop mitbringen, Python-Vorkenntnisse sind nicht notwendig

Dynamische Labyrinthe spielerisch erkunden

Die Förderung informatischen Denkens bildet einen wichtigen Grundstein für eine zukunftsorientierte Bildung. Kommen Kinder früh mit ersten informatischen Inhalten in Berührung, entdecken sie diese mit grosser Begeisterung, und ihre Freude an der faszinierenden Welt des informatischen Denkens wird nachhaltig entfacht.

Im Workshop wird gemeinsam erarbeitet, wie Vorschul-/Grundschulkinder den Baukasten «Dynamische Labyrinthe» spielerisch erkunden können. Zunächst werden Wege so gebaut, dass bestimmte Startbausteine zu bestimmten Zielbausteinen führen. Die Komplexität der Labyrinthe wächst mit der Anzahl an Start-/Zielbausteinen sowie der verwendeten Arten an Wegbausteinen: Gerade, Kurve, Kreuzung, Einmündung. Dynamisch werden die Labyrinthe, indem Flip-Flops und Weichen eingebaut werden und so einfaches automatisches Sortieren gelingt. Liegen Grundkenntnisse zu den Grundrechenarten vor, können Kinder sogar Zähler-Bausteine verwenden, um einfache Rechenmaschinen zu bauen, und damit automatisiertes Rechnen verstehen.

Leitung: Prof. Dr. Inge Schwank, Universität zu Köln; Bennet Keip, Universität zu Köln

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Pädagogische Fachkräfte in Kindergärten sowie Lehrkräfte an Grundschulen

Voraussetzungen: Reale DL-Baukästen werden zur Verfügung gestellt, für die DL-Web-App bitte Laptop mitbringen, da Tastatur/Maus benötigt werden

Programmierung im Zeitalter der Künstlichen Intelligenz

In diesem Kurs wird gezeigt, wie KI als effizientes Werkzeug für die Python-Programmierung eingesetzt werden kann, um den Zugang zu grundlegenden Programmierkenntnissen zu erleichtern. Darüber hinaus dient KI als persönlicher Tutor, der den Teilnehmenden individuell zur Seite steht, neue Impulse ermöglicht und eine massgeschneiderte Lernerfahrung bietet.

Ziel des Workshops ist es, den Lehrpersonen zu zeigen, wie sie ihren Schülerinnen und Schülern Zugang zu einfachen Programmierkenntnissen eröffnen und ihre Kreativität fördern können.

Teilnehmende werden nicht nur praktische Programmierfähigkeiten in Python entwickeln, sondern auch einen speziellen Fokus auf KI-Anwendungen legen. Sie erlangen so ein tiefgehendes Verständnis für die Funktionsweise und die Anwendungsbereiche von KI-Systemen und lernen, Probleme zu identifizieren und mit Hilfe von KI-Techniken innovative Lösungen zu entwickeln. Zusätzlich entwickeln die Teilnehmenden eine kritische Perspektive auf die Möglichkeiten und Grenzen von KI-Technologien.

Leitung: Prof. Dr. Bernadette Spieler, PH Zürich

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Zyklus 2 und 3

Voraussetzungen: Grundkenntnisse in KI sind vorteilhaft; allgemeine Programmierkenntnisse (beliebige Sprache) sind erwünscht

Programmiere mit Logo und Python den neuen Roboter xBot

Die Robotik bietet nicht nur riesiges Potenzial zur Förderung des algorithmischen Denkens, sondern auch zur Entfaltung der eigenen Kreativität und Phantasie – dafür steht das A (Art) in STEAM. Durch den neu entwickelten Bildungs-Roboter «xBot» in der Schweiz (Kooperation PHBern und Technische Fachschule Bern) erlernen Schülerinnen und Schüler des Zyklus 1 – 3 nicht nur das Programmieren mit der freien und weit verbreiteten Programmierumgebung xLogoOnline, sondern erleben Anwendungen im gesamten STEAM-Bereich.

Im Workshop haben Sie die Möglichkeit, mit dem xBot selbst zu experimentieren und Aufgaben, welche sich für Ihre Zielstufe eignen, selber auszuprobieren und zu lösen.

Leitung: Urs Wildeisen, PHBern; Sara Flügge, PHBern; Tanja Taminé, PHBern

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Zyklus 1 – 3 (Primarschule, Sekundarschule)

Voraussetzungen: Keine Programmiererfahrung notwendig, eigenen Laptop mitnehmen. Die Software läuft im Browser auf allen  Betriebssystemen und muss somit nicht vorgängig heruntergeladen werden.
Link Software: https://xlogo.inf.ethz.ch/release/latest/#/
Link Lernumgebung xBot: https://x-bot.ch

Teaching computational thinking using music, and teaching music using computational thinking

Computational thinking (CT) applies to subjects outside computer science, and music is no exception. CT ideas such as decomposition, patterns, abstraction, and algorithms can all be exercised in a meaningful way while at the same time engaging students with key concepts from music.

This workshop will present ideas for having students exercise concepts from music while at the same time developing skills relating to CT, including unplugged activities and programming in Scratch. The focus will be on primary school level.

Leitung: Judith Bell

Sprache: English

Zielgruppe: Primarschule

Voraussetzungen: The session will assume an interest in music, but not necessarily specialist knowledge of music theory – you’ll get to explore that via computational thinking! It is helpful if you bring your own computer/tablet. For those who attended the workshop on CT and music education at the 2017 STIU, some content overlaps with this, but the focus will be adjusted to suit the attendees.

Hands-on activities for students that help them understand the magic of digital technology

Digital devices sometimes seem to be magic, but we can get so used to them that they blend into everyday life and become hidden as part of our analogue world.

In this workshop we will explore common objects and experiences that can be explored to reveal the almost-magical computer science concepts behind them. Much of this will be «unplugged» – activites that can be done without using a computer at all. But we’ll also look at how these can be connected to programming – the skill that enables students to bring magical ideas to life.

Leitung: Prof. Dr. Tim Bell, University of Canterbury

Sprache: English

Zielgruppe: Volksschule (Primar- und Sekundarschule)

Voraussetzungen: No requirements

Examples of educational escape rooms and gamification approaches in Ticino

The workshop will introduce the concept of educational escape rooms (EERs), and demonstrate to the participants how EERs can be designed and used in class. During the workshop, participants will be introduced to some example EERs developed by teachers – on STEAM and other subjects – as well as try some digital examples of escape rooms (educational, and non-educational).

The workshop will also introduce the concept of gamification, and illustrate some example activities on STEAM and educational robotics that teachers either developed and/or used in class, at primary and secondary school level.

Leitung: Dr. Masiar Babazadeh, SUPSI

Sprache: English

Zielgruppe: Primary school teachers, secondary school teachers, educators interested in gamification

Voraussetzungen: Having an electronic device (phone, tablet, laptop) is recommended

Netzwerke spielerisch vermitteln

Wir verwenden zwar praktisch täglich das Internet, machen uns aber selten Gedanken über die Netzwerke und deren Komponenten, damit das alles funktioniert. Erst wenn es zu Problemen kommt, werden wir mit Begriffen wie Router, Access Point, IP-Adresse oder mit Fehlermeldungen wie «DNS-Server antwortet nicht» konfrontiert.

Mit der kollaborativen Online-Lernumgebung webnetsim.de wird auf attraktive Art und Weise das Zusammenspiel von Komponenten in einem Netzwerk aufgezeigt und im Workshop gleich gemeinsam ausprobiert. Ergänzend als Einstieg ins Thema oder zur abschliessenden Zusammenfassung werden Sets von Concept Cartoons vorgestellt, die von den Schülerinnen und Schüler gemeinsam beurteilt und diskutiert werden können.

Leitung: Dr. Michael Hielscher, PH Schwyz

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Lehrpersonen ab der 6. Klasse

Voraussetzungen: Bitte ein eigenes Gerät (Laptop oder Tablet) mitbringen

Mit Affenpuzzle und anderen Mitmach-Experimenten der Abenteuer-Informatik-Bastelbögen auf den Spuren der theoretischen Informatik

Ein (Ieider nicht fiktiver) Dialog:
L: «Was heisst denn NP in der theoretischen Informatik?»
S: «Nicht polynomiell.»
L: «Aber wenn P für polynomiell steht und NP für nicht polynomiell – würde es dann Sinn ergeben, dass P ≟ NP eine bisher unbeantwortete Frage ist?»
S: «Hmm»

Im Workshop werden wir uns mit dem Affenpuzzle und der Idee des Orakelwürfels dieser und anderen Fragestellungen widmen, um didaktisch reduzierte Erklärungen für Begriffe wie «nichtdeterministisch polynomiell» bereitstellen zu können.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Jens Gallenbacher, Johannes Gutenberg Universität Mainz

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Lehrpersonen Informatik Sekundarstufe I+II

Voraussetzungen: Bitte bereiten Sie den Workshop vor, indem Sie von den (über das ABZ beziehbaren) Bastelbögen Abenteuer Informatik die Spielsteine der ersten vier Bögen mit Titel «Affenpuzzle» komplett ausgeschnitten mitbringen.

Programmieren in der 3. und 4. Klasse

Informatik, fertig, los – Lehrpersonen erfahren, wie Schülerinnen und Schüler der 3. und 4. Klasse (im Zyklus 2) erste Schritte
ins Programmieren lernen können. Mit dabei ist unsere neue Kiste aus dem Kinderlabor.

Der Workshop ist so gestaltet, dass alle Lehrpersonen teilnehmen können, auch ohne Vorkenntnisse in der Informatik.

Nach dem Kurs können Sie das Gelernte direkt im Unterricht einsetzen. Unterstützt werden Sie
dabei von unserer neuen Informatik-Kiste und unserem praktischen Online-Tool. (Mehr Infos vorab
zu Kiste und Online-Tool unter www.informatikfertiglos.ch)

Leitung: Dr. Petra Adamaszek, Kinderlabor; Prof. Dr. Bernd Gärtner, ETH Zürich

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Lehrpersonen der Klassen 3 und 4

Voraussetzungen: Bitte Smartphone, Tablet oder Notebook mitbringen

Decision Tree Learning – eine ML-Methode «unplugged» im Unterricht einsetzen

Künstliche Intelligenz ist ein topaktuelles Thema weltweit – vor allem auch im (Informatik-)Unterricht. Das Informatics eduLAB der TU Wien stellt in diesem Workshop «unplugged»-Lehrmaterial zu Machine Learning, mit der Methode «Decision Tree Learning», vor. Das Lehrmaterial lässt Lernende einen Blick hinter die Kulissen dieser Methode werfen, mit dem Ziel, das Thema KI zu entmystifizieren.

Forschend-entdeckend erlebt man, wie das ML-Modell funktioniert, welchen Nutzen es haben kann, wo Gefahren lauern und welchen Einfluss wir Menschen darauf haben. Lernende pflanzen einen Entscheidungsbaum und retten mit ihm die Welt vor einer drohenden Alien-Invasion. Klingt zu fantastisch, ist aber wahr.

Teilnehmende des Workshops erhalten wertvolle Tipps, wie das Material den eigenen Unterricht ergänzen und unterstützen kann. Alle Unterlagen können vor Ort ausprobiert werden und stehen kostenlos zum Download zur Verfügung.

Leitung: Martina Landman, TU Wien; Lukas Lehner, TU Wien

Sprache: Deutsch

Zielgruppe: Lehrpersonen der Sekundarstufe, ab 8. Schulstufe

Voraussetzungen: keine