Vor 100 Jahren – am 22. Juni 1910 – wurde Konrad Zuse geboren. Das Zuse-Jahr 2010 soll dieses Jubiläum gebührend ehren. In dieser Unterrichtseinheit erhalten Schülerinnen und Schüler Einblicke in die Erfindung des Computers durch Konrad Zuse und in die Funktionsweise seines ersten Rechners - den Z3.Was sind Dualzahlen und warum rechnen Computer mit ihnen? Wie funktioniert binäre Logik und was sind logische Gatter? Wie arbeitete Konrad Zuses Z3? Die Antworten auf diese Fragen können Schülerinnen und Schüler mit einer zum Zuse-Jahr 2010 entwickelten Lernumgebung finden. Die dynamischen Arbeitsblätter enthalten interaktive Übungen und Veranschaulichungen, die mit LogiFlash erstellt wurden. Dieser Logiksimulator für die Darstellung von digitalen Schaltungen wurde am Lehrstuhl für Technische Informatik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main entwickelt und steht kostenfrei zur Verfügung. Würdigung der Leistung Konrad Zuses Die hier vorgestellte Lernumgebung kann im Rahmen des Lehrplans genutzt werden. Konzipiert wurde sie vom Autor aber insbesondere zur Würdigung von Konrad Zuse (1910-1995) im Zuse-Jahr 2010. Hier bietet sich ihr Einsatz im Rahmen eingeschobener Unterrichtsstunden an (eine Doppelstunde sollte reichen). Im Verlauf des Unterrichtsgesprächs kann ferner auf die Begriffe Verarbeitungsbreite (Bit) und Speichergröße (Bit und Byte) eingegangen werden. Einführung der Lernumgebung per Beamer Schülerinnen und Schüler der Klasse 7 sind den Einsatz interaktiver Arbeitsblätter oft noch nicht gewohnt. Daher sollte der Umgang damit zunächst von der Lehrperson per Beamer gezeigt werden. Insbesondere der Umgang mit den interaktiven LogiFlash-Simulationen kann so demonstriert werden. Hinweise zu den Übungen Ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Zahleneingabe bei den Übungen führt zu erhöhter Konzentration und damit zu weniger Frusterlebnissen. Diese entstehen, wenn Fragen inhaltlich richtig, aber formal fehlerhaft (zum Beispiel durch Leerstellen) in die Arbeitsblätter eingegeben werden. Die Angaben werden dann als falsch bewertet. Auch Partnerarbeiten zwischen Schülerinnen und Schülern mit guten Deutschkenntnissen und Lernenden, denen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), kann zur Vermeidung von Frusterlebnissen beitragen. Aufbau und Inhalte der Lernumgebung Die Themen der Lernumgebung werden kurz vorgestellt. Screenshots zeigen Ausschnitte aus den interaktiven Übungen. Green IT Von der Erfindung des Computers kann ein Bogen geschlagen werden zum heutigen rasanten Wachstum der Datenströme im Internet, die einen signifikanten Beitrag zum Kohlenstoffdioxidausstoß leisten werden, wenn die Energieeffizienz der heutigen Technologie nicht stark verbessert wird. "Green IT" ist das Schlagwort. Computer Gestern - Heute - Morgen: "Green IT" In Zeiten drastisch wachsender Datenströme muss die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie umwelt- und ressourcenschonend gestaltet werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Computer verstehen: Daten und Strukturen" den grundlegenden Aufbau eines Computers kennen (Hardware, Prozessor, Bus, Speicher). das Blockschaltbild eines Computers verstehen. das Prinzip "Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe" verstehen. die Auswirkungen der Rechentechnik aus historischer Sicht bewerten. ein Modell für Informatiksysteme kennenlernen. im Wahlpflichtbereich "Computer Gestern - Heute - Morgen" die Leistung eines Rechners anhand verschiedener Kriterien beurteilen können. die Lernumgebung für das Fach Mathematik zur Prüfungsvorbereitung zum Thema Stellenwertsysteme (Klasse 10) nutzen. Thema Die Erfindung des Computers - Zuses Z3 Autor Jens Tiburski Fächer Informatik, Mathematik (Stellenwertsysteme) Zielgruppe ab Klasse 7 (Informatik), Klasse 10 (Mathematik) Zeitraum 1-2 Stunden Technische Voraussetzungen Computer in ausreichender Zahl (Einzel- oder Partnerarbeit); aktiviertes Java-Script, Flash Player Zuerst werden die Schülerinnen und Schüler darauf aufmerksam gemacht, dass die Rechenmaschinen vor der Erfindung des Computers noch mechanisch funktionierten. Doch selbst herausragende Konstruktionen demonstrierten lediglich die Unmöglichkeit, analytische Maschinen von hoher Komplexität technisch zu verwirklichen. Das macht die Genialität Zuses deutlich, der mit zwei revolutionären Ideen die Entwicklung des modernen Computers ermöglichte: Durch den Vergleich mit Anlagen aus der Nachrichtentechnik kam er zu dem Schluss, dass Rechenmaschinen ebenfalls elektronisch funktionieren müssten - durch den Einsatz von Relais als Schalter. Da Relais nur zwei Schaltzustände kennen - High und Low - erkannte Zuse, dass Rechenmaschinen auf dem Dualsystem basieren müssten. Boolesche Logik Also stellte er seine Experimente mit mechanischen Rechenmaschinen ein (der Zuse Z1 war noch ein mechanischer Rechner) und arbeitete an der Umsetzung der Rechenregeln für Dualzahlen mittels logischer Operatoren. Dass es die Boolesche Logik schon gab, wusste Konrad Zuse nicht. Er entwickelte jedoch unabhängig dieselben Schlussfolgerungen. Die interaktiven Arbeitsmaterialien der Unterrichtseinheit beginnen mit der Erforschung der Rechenregeln für das Dualsystem (also das Zahlensystem auf der Basis 2). Nach grundsätzlichen Erläuterungen haben die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, ihr erworbenes Wissen in interaktiven Aufgabenstellungen zu testen. Nach der Konvertierung von Dezimalzahlen in Dualzahlen (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) und umgekehrt sind Additions- sowie eine Multiplikationsaufgabe zu lösen. Die Lernumgebung gibt den Schülerinnen und Schülern Rückmeldungen zum Erfolg ihrer Bemühungen. Den nächsten inhaltlichen Schwerpunkt bildet das Verständnis sogenannter logischer Gatter. Es wird gezeigt, wie solche Gatter aufgebaut sind und welche Funktion sie erfüllen. Dabei beschränkt sich die Lernumgebung auf die wesentlichen Gatter: And-Gatter Or-Gatter Xor-Gatter Nand-Gatter Nor-Gatter Xnor-Gatter Interaktive Übungen Mithilfe von Flash-Simulationen logischer Schaltungen (erstellt mit LogiFlash ) können die Schülerinnen und Schüler die Erklärungen nachvollziehen und eigene Überlegungen visualisieren. Das Kapitel enthält interaktive Übungen zu Wahrheitstabellen logischer Gatter. In verschiedenen Aufgaben können die Schülerinnen und Schüler Wahrheitstabellen vorgegebener Gatter erkunden sowie Gatter anhand ihres Verhaltens zuordnen. Abb. 2 zeigt ein Beispiel: In der Übung muss die Wahrheitstabelle ermittelt und dem entsprechenden Gatter zugeordnet werden. Danach werden - mithilfe der Gatter - die Rechenregeln für Dualzahlen digital umgesetzt. Der 1-Bit-Addierer bildet die Grundlage für das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Rechenregeln und logischen Gattern. Wenn dieses Funktionsprinzip verstanden wurde, geht es mit dem 8-Bit-Addierer weiter. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Weitergabe des Übertrags. Es kann zwar nur der Übertrag 1 entstehen, aber dieser muss gegebenenfalls über mehrere Stellen weitergegeben werden. Die sich daraus ergebenden Überlegungen zum Einsatz verschiedener Gatter führen auf eine schon recht komplexe Schaltung mit einer Vielzahl von Gattern, die - zur optischen Abgrenzung - in verschiedenen Reihen angeordnet sind (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken). Dieser 8-Bit-Addierer ist nun das eigentliche Rechenwerk des Z3. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich um ein stark vereinfachtes Modell des Rechenwerks von Konrad Zuse handelt. Im Gegensatz zu Konrad Zuses Rechner wird unser Rechenwerk nun aber noch mit Wandlern zur Ein- und Ausgabe von Dezimalziffern ausgestattet: Dezimal-Dual-Wandler Dieser Wandler basiert komplett auf Or-Gattern, die dafür sorgen, dass eingegebene Dezimalziffern über die Lampen am Ausgang als Dualzahlen weitergegeben werden. Dual-Dezimal-Wandler Dieser Wandler verwendet zwei Gattertypen, das And-Gatter und das Nor-Gatter. Das jeweilige And-Gatter testet die gesetzten richtigen Bits, während das Nor-Gatter falsch gesetzte Bits "herausfiltert". So wird zum Beispiel die Lampe mit der Nummer 7 nur dann auf High-Level gesetzt, wenn die Bits 1, 2 und 3 aktiviert sind und gleichzeitig die Bits 4 und 5 deaktiviert sind (Abb. 4). Wenn man nun den 8-Bit-Addierer mit zwei Dezimal-Dual-Wandlern zur Eingabe von Dezimalziffern und einem Dual-Dezimal-Wandler zur Anzeige der Ergebnisse in Dezimalform ausstattet, erhält man einen einfachen Rechner, der zwei Dezimalziffern addiert und das Ergebnis anzeigt. Der Informationsfluss kann dabei anhand der türkis eingefärbten Hervorhebungen von den Schülerinnen und Schüler nachvollzogen werden, sodass das Funktionsprinzip deutlich wird (Abb. 5) Die Schaltung in Abb. 5 wirkt auf den ersten Blick sicher verwirrend. Deshalb wird dieser Rechner nun modular umgestaltet. Die Hauptbaugruppen werden in Module zusammengefasst. Dann erfolgt die Verdrahtung und man erhält ein Funktionsschema, das wesentlich übersichtlicher wirkt als das vollständige Modell. Dass es sich jedoch um dieselben Schaltungen handelt, kann man durch das Anklicken des Lupen-Symbols sehen. Das Lupensymbol erscheint, wenn Sie den Cursor über die linke oder rechte untere Ecke (4-Bit-Addierer) der Module führen (siehe roter Kreis in Abb. 6). Aufgaben Im letzten Übungsteil sollen die Schülerinnen und Schüler ihr erworbenes Wissen über die logischen Schaltungen testen. Drei vorgegebene Schaltungen sind zu komplettieren: 1-Bit-Addierer Die beiden passenden Logik-Gatter sollen an die richtigen Stellen gezogen und die Schaltungen korrekt verdrahten werden. Per Klick auf das Fragezeichen-Symbol lassen sich Tipps aufrufen. Der Test-Button prüft die Schaltung - das kann bei umfangreichen Schaltungen einige Sekunden dauern - und gibt dann das Ergebnis in Form einer Messagebox aus. 4-Bit-Addierer Neben den vier 1-Bit-Addierern muss die Weiterleitung des Übertrags fehlerfrei funktionieren. Die Aufgabe besteht in der korrekten Verdrahtung der logischen Gatter der Übertragsweiterleitung. Modul-Rechner Der letzte Schaltplan beinhaltet zwei Dezimal-Dualwandler, einen 4-Bit-Addierer sowie einen Dual-Dezimal-Wandler. Die Aufgabe ist es nun, die fertigen Module richtig zu verdrahten, sodass der Modul-Rechner fehlerfrei funktioniert. Im Themenbereich "Computer Gestern - Heute - Morgen" bietet sich ein Ausblick auf die Bestrebungen an, die Nutzung von Informationstechnik (IT) beziehungsweise aller Informations- und Kommunikationstechnologie umwelt- und ressourcenschonend zu gestalten. Dies betrifft die Produktion der Komponenten (Energieeinsatz, Materialien, Produktionsmittel). das Design der Systeme (Energieverbrauch im Betrieb). die Entsorgung oder das Recycling der Geräte. Der letztgenannte Aspekt schließt insbesondere die Schadstoffthematik mit ein, also ob schädliche Stoffe in der Produktion anfallen oder ob Gifte wie Blei oder Brom im Endprodukt enthalten sind und bei dessen Betrieb oder Entsorgung freigesetzt werden. Der Begriff Green IT umfasst auch die Energieeinsparung durch die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie. So kann zum Beispiel der Ersatz von Dienstreisen durch Videokonferenzen zur Energie- und Emissionsreduzierung beitragen. Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) hat im Jahr 2009 eine Green-IT-Studie veröffentlicht, die "Aspekte der Reduzierung des Energieverbrauchs und der Verbesserung der Energieeffizienz in Kommunikationsnetzwerken" darstellt. Angesichts des dramatisch ansteigenden Datenverkehrs muss, so die Studie, dem damit zusammenhängenden Energieverbrauch aus Umweltgesichtspunkten (Kohlenstoffdioxidausstoß) - aber auch im Hinblick auf die Betriebskosten für Netzbetreiber und private Kunden - entschieden gegengesteuert werden. Nur wenn Forschung und Entwicklung einen essenziellen Beitrag zur Verbesserung der Energieeffizienz der Informations- und Kommunikationstechnologie leiste, sei das Wachstum des Internets ohne einen signifikanten Beitrag zum Kohlenstoffdioxidausstoß möglich. Auch dies gehört zum Erbe Konrad Zuses … Interessierte Lehrkräfte können die nicht ganz günstige Studie (250 Euro) direkt beim VDE bestellen: VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Stresemannallee 15 60596 Frankfurt am Main Kontakt: itg@vde.com