Algorithmen im Alltag

Hintergründe zum Projekt

Im Rahmen des Teilprojekts "Algorithmen im Alltag" entstand im Bereich Informatik der Universität Potsdam ein Leitfaden für Lehrkräfte. Hier werden Beispiele gezeigt, die der direkten Erfahrungswelt der Kinder entsprechen. Dabei finden sich immer wieder fächerverbindende Elemente zu den Inhalten des Deutsch-Unterrichts.

Ziel dieses Projekts war es, dass die Kinder ein Verständnis für das Wesen eines Algorithmus entwickeln. Anknüpfend an eigene Alltagserfahrungen werden sie schrittweise und altersgerecht mit dem Wesen eines Algorithmus bekannt gemacht.

Algorithmen entdecken und untersuchen

Die Lebenswelt von Schülerinnen und Schülern ist nicht zuletzt durch Smartphones, soziale Netzwerke oder auch Sprachassistenten von Produkten der Informatik durchzogen. Die digitalen Systeme und Produkte treffen regelmäßig selbstständig Entscheidungen. Beispiele hierfür sind personalisierte Werbung oder automatisch generierte Wiedergabelisten bei Musikstreaming-Diensten. Diese Entscheidungen erfolgen über ausgeklügelte Algorithmen. 

Warum Algorithmen im Alltag?

Auch fernab von der Informatik kommen Lernende immer wieder mit Algorithmen in Kontakt, zum Beispiel bei der Frage, wie mit möglichst wenigen Geldscheinen ein bestimmter Geldbetrag bezahlt werden kann. Doch auch bei sämtlichen Tätigkeiten und Vorgängen, die wir durchführen, ohne dass wir uns Gedanken über die Struktur der Abläufe machen, liegen Algorithmen zugrunde.

Was sind Algorithmen?

Eine einheitliche Definition des Begriffs existiert nicht und er wird in der Literatur unterschiedlich behandelt. Für die Grundschule reicht es jedoch aus, Algorithmen als eindeutige und präzise Handlungsvorschrift zum Lösen eines Problems zu verstehen. Diese Handlungsvorschriften bestehen aus Elementaranweisungen, die eine bestimmte Aktion oder Handlung vom Ausführenden erwarten. Dabei sind Algorithmen grundsätzlich in Abfolgen und Sequenzen strukturiert, wobei je eine Anweisung nach der anderen abgearbeitet wird. Mehrere gleiche Elementaranweisungen werden als Wiederholung zusammengefasst. Müssen bei komplexen Algorithmen Entscheidungen zwischen mehreren Alternativen getroffen werden, spricht man von Verzweigungen.

Algorithmen beschreiben und verstehen

Um Algorithmen als alltägliche Vorgänge zu entdecken und zu verstehen, bietet es sich an, diese zunächst zu beschreiben. Dies macht eine Kommunikation darüber erst möglich. Eine Beschreibung kann dabei die reale Welt nie vollständig abbilden. Die Beschreibung der Welt und auch von Algorithmen ist maßgeblich von der Wahrnehmung abhängig. Um diese individuellen Erfahrungen kommunizierbar zu machen, wird Sprache benötigt. Dies wird zum Beispiel bei der Beschreibung von Vorgängen sichtbar: Es wird ein Muster erkannt und dieses in einen Gesamtzusammenhang eingeordnet. Diese Muster im Gesamtzusammenhang können dabei als Algorithmus identifiziert werden.

Die Beschreibung eines Vorgangs erfolgt dabei meist sehr kleinschrittig, wobei jeder Schritt und somit jede Teilhandlung in der Beschreibung auch einer real ausführbaren Handlung entspricht. Wie detailliert Teilhandlungen beschrieben werden oder beschrieben werden müssen, ist sowohl vom Verfasser als auch vom Adressaten abhängig. Ist beispielsweise das "Tee-Kochen" eine Teilhandlung, werden alle dazugehörigen Handlungen meist direkt verstanden (Wasserhahn öffnen, Teebeutel in die Tasse hängen und so weiter). Diese können jedoch auch einzeln als Teilhandlungen aufgefasst werden. Sobald eine Vorgangsbeschreibung dazu dient, andere Personen aufzufordern, ein Problem zu lösen oder einen Ablauf nachzumachen, kann die Beschreibung als Algorithmus aufgefasst werden.

Von der Beschreibung zum Algorithmus

Bei der Beschreibung von Algorithmen muss stets zwischen drei verschiedenen Abstraktionsebenen unterschieden werden: die Text-, die Bild- und die Befehlsebene.

Textebene

Fertigen Schülerinnen und Schüler beispielsweise eine Anleitung für das Kakao-Kochen an, könnte diese folgendermaßen aussehen: "Zunächst muss man einen halben Liter Milch abmessen und erwärmen. Danach muss man Kakao-Pulver hinzugeben."

Hierbei wird bereits abstrahiert, indem der Vorgang versprachlicht wird: Alle subjektiv unwichtigen Informationen (Kühlschrank öffnen, Milch herausnehmen, Temperatur der Milch, ...) werden ausgelassen. Daran angeschlossen kann durch Bilder weiter abstrahiert werden.

Bildebene

Bei Bildern ist grundsätzlich zwischen zwei Arten zu unterscheiden: Bilder (Comics, Karikaturen, ...) und Abbilder (zum Beispiel Fotos). Ein Abbild kann nur wiedergeben, aber nicht beschreiben. Karikaturen haben aber auch immer einen beschreibenden Charakter. Werden Vorgänge durch Bilder beschrieben, wird deutlich, welche Schritte der Algorithmus durchläuft. Bilder können jedoch nie alle Informationen zeigen, die in einem Text enthalten wären. Somit wird hier eine weitere Abstraktionsstufe erreicht. Bilder allein reichen jedoch nicht unbedingt, um Schülerinnen und Schülern zu zeigen, dass hinter alltäglichen Prozessen Algorithmen versteckt sind.

Befehlsebene

Die nächste Stufe könnte sein, für die Bilder einzelne Überschriften in Befehlsform zu finden. Am Beispiel des Kakao-Kochens könnte das sein: "Nimm einen Messbecher und miss 500 ml Milch ab!". Diese Abstraktionsebene sollte nun alle typischen Merkmale eines Algorithmus beinhalten und erfassen.

Anregungen für den Unterricht

Hilfreich ist es zunächst, die Ausgangslage der Schülerinnen und Schüler zu reflektieren. Das gelingt in besonderer Weise mithilfe der Checkliste (siehe Download).

Um ein Gefühl für den Folge-Aspekt eines Algorithmus zu gewinnen, bietet sich ein Ausgangsbeispiel an. Algorithmen werden häufig vor allem mit der Mathematik verknüpft. Bei dem Ausgangsbeispiel handelt es sich aber idealerweise um einen außermathematischen Algorithmus. Mit diesem Beispiel wird die Angst vor dem Begriff des Algorithmus genommen und gleichzeitig auch gezeigt, dass Algorithmen nicht zwangsläufig nur in der Mathematik vorkommen.

Ein einfaches Einstiegsbeispiel – beispielsweise das Teekochen (siehe Arbeitsblatt) – bildet hierfür die Basis. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in Kleingruppen mit bis zu vier Kindern. Zunächst erhalten sie die Bilderfolge auf farbigem Tonpapier (Bild 1: Tasse wird aus Schrank genommen: gelb; Bild 2: Teebeutel wird genommen: blau, Bild 3: Wasserkocher wird befüllt: pink). Hierzu äußern sie sich spontan und schreiben einen kurzen Text dazu. Danach lesen sie den Text und markieren die drei Handlungen im Text mit der passenden Farbe:

• Tasse aus dem Schrank: gelb
• Teebeutel aus der Kiste: blau
• Wasser in den Wasserkocher: pink

Anschließend erhalten sie die drei Satz-Streifen auf farbigem Tonpapier. Diese wurden zuvor von der Lehrkraft in ausreichender Menge erstellt.

• Nimm die Tasse! (gelb)
• Nimm den Teebeutel! (blau)
• Fülle den Wasserkocher! (pink)

Mit jeder Abstraktionsebene wird die Beschreibung reduziert und dadurch die Bedeutsamkeit der Reihenfolge der einzelnen Schritte hervorgehoben.

Auch können die Kinder eine eigene Foto-Sequenz zum Tee-Kochen mithilfe eines Tablets entwickeln. Sie erstellen eine Bilder-Sequenz hierzu, drucken diese aus und versehen diese mit den passenden Satz-Streifen. Darüber hinaus trainieren die Schülerinnen und Schüler abschließend das Bilden von Imperativsätzen.