Computational Thinking (eBook)

Paul Curzon ist Informatikprofessor an der Queen Mary University in London. Seine Forschungen beschäftigen sich mit der Informatikausbildung, mit Mensch-Maschine-Kommunikation und formalen Methoden. Er erhielt neben mehreren Preisen für gute Lehre 2010 die National Teaching Fellowship der Higher Education Academy und wurde 2007 von der EPSRC als nicht-professioneller Informatikautor ausgezeichnet. Er war an der Gründung von Teaching London Computing beteiligt und leitet Weiterbildungsmaßnahmen für Lehrer. Seine ersten Programmierkenntnisse bracht er sich an einem Strand in Südfrankreich bei. Auch Peter McOwan ist Informatikprofessor an der Queen Mary University in London. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in den Bereichen Computervision, Künstliche Intelligenz und Robotik. Er erhielt 2008 die National Teaching Fellowship der Higher Education Academy und 2011 die IET-Mountbatten-Medaille für seine Bemühungen, die Informatik für verschiedenen Zielgruppen aufzubereiten. Peter ist außerdem Amateurzauberer und interessiert sich für Science-Fiction. Paul und Peter schufen gemeinsam das international bekannte Projekt Computer Science for Fun (www.cs4fn.org) und waren Gründungsmitglieder des britischen Computing at School Network (CAS). Heute ist Paul im Vorstand des CAS.

Geleitwort 5
Vorwort 7
Danksagung 9
Inhaltsverzeichnis 11
Über die Autoren 13
1 Die Zukunft des Denkens 14
Was wollen Sie tun? 14
Kompetenzen für das 21. Jahrhundert 16
Algorithmisches Denken 17
Verändern Sie die Welt! 18
Wissenschaftliches Denken 19
Computational Thinking 19
2 Sprechen aus der Taucherglocke 20
Locked-in-Syndrom 20
Einfach wie das Abc 21
Baubys Methode 22
Prüfen der Details 23
Optimierungen vornehmen 24
Ist ein Muster erkennbar? 24
Wie häufig sind die Buchstaben? 26
Wie schnell ist die Methode? 27
Mit 20 Fragen zur Antwort 29
Wie gut ist die Methode? 30
Ein neuer Algorithmus 32
Codes für Buchstaben 34
Die Wahl der besten Lösung 36
Am Anfang steht das Denken in Algorithmen 37
Menschen verstehen ist das Wichtigste 38
Eine gute Lösung für Bauby 39
3 Magie und Algorithmen 40
Der Traum vom australischen Magier 40
Ein verzwickter Algorithmus 42
Zaubertricks erfinden 43
Teilen Sie es auf! 44
Funktioniert der Trick immer? 46
Lochkarten 49
Die Magie, Dinge wiederzufinden 49
Verbindungen aufbauen 50
Binäre Lochkarten 52
Wie funktioniert das also? 54
Erfinden neuer Kunststücke (Fortsetzung) 57
Aus Alt mach Neu 57
Neue Zaubertricks durch Informatik 58
Anmerkung eines Magiers 60
Von Zaubertricks zu Programmen und zurück 60
4 Rätsel, Logik und Muster 61
Rätselarten 61
Logikrätsel 61
Wabenrätsel 62
Lösung eines Wabenrätsels 63
Regeln herleiten 66
Regelentwicklung durch Mustererkennung 66
Die Regel vom einzelnen Sechseck 67
Die Regel von zwei Sechsecken 68
Die Eckenregel 69
Regeln niederschreiben 71
Weitere Rätsel 73
Noch ein einfaches Rätsel 73
Ein komplizierteres Rätsel 73
Logisches Denken und Kompetenz 74
Lösungen der beiden Rätsel 76
5 Rätselhafte Rundreisen 77
Zwei Denkaufgaben 77
Der „Weg des Springers“ 77
Das Stadtführerrätsel 79
Vereinfachen und Unwichtiges ignorieren 81
Eine Lösung für vieles 82
Zurück zum Anfang 82
Entwurf eines Graphen 83
In die Tiefe gehen 83
Fein säuberlich 84
Gleiches Problem, gleiche Lösung 85
Von einer Lösung zu anderen 85
Eine Karte für beide Probleme 87
Die Brücken von Königsberg 87
Rundgang durch die Stadt der Brücken 87
Logisch denken 88
Reisen und Packen 90
Echte Touren 90
Packen für den Urlaub 90
Zurück auf die Straße 91
Das Gute, das Schlechte und das Hässliche 91
6 Roboterbau für Anfänger 93
Roboter mit eigener Historie 93
Der schlechte Ruf der Roboter 93
Was assoziieren Sie mit „Roboter“? 94
Protagonisten mysteriöser Erzählungen 94
Der Bau von Robotergehirnen 96
Aufbau in Schichten 96
Natürliche Selektion 97
Ein Verhalten erlernen 99
Bauen Sie Ihren eigenen Chatbot! 99
Meister der Konversation 99
Bin ich ein Mensch? 100
Nachbildung eines Chats 101
Wie entscheidet sich ein Chatbot? 101
Vorsicht Bots? 104
Besitzt ein Chatbot Verständnis? 105
Das „Chinesische Zimmer“ 105
Im Zimmer der Klingonen 106
Eine überraschende Wendung 107
7 Wir bauen ein Gehirn 108
Wie baut man ein lernfähiges Gehirn? 108
Künstliche Intelligenz lernt Kartenspielen 108
Ruhig mal negativ sein 114
Was macht ein intelligentes Spiel aus? 115
Ein wenig boolesche Logik 116
Neuronales „Halli Galli“ 118
„Halli Galli“ – nicht so leicht, wie es aussieht 118
Können wir es nachbauen? 120
Phänomenales Bewusstsein … und eine Tasse blauen Kaffee, bitte! 122
8 Betrügen mit Bots 125
Ein Wahrsage-Gehirn 125
Maschine mit Geheimnissen 125
Dem Mutigen gehört die Welt 126
Die Sitzung endet … zweimal 127
Die Betrugsmasche 127
Was lockt Sie in die Falle? 129
Wir bauen Schritt für Schritt 130
Ethik und Weltherrschaft 130
Der richtige und der falsche Weg für KI 130
Werden Roboter die Welt beherrschen? 131
Suche nach einem nachvollziehbaren Motiv 132
Wenn sich die Gelegenheit bietet 132
Weltherrschafts-Bingo 133
Kill Bill? 134
9 Gitter, Grafik und Spiele 136
Gitter und Spiele als Bilder 136
Spiele als High-Tech-Kunstindustrie 136
Aus Pixel entstehen Bilder 137
Das „Spiel des Lebens“ 140
Spielen auf dem Gitter 140
Spielen Sie selbst das Leben! 141
Eine Menagerie des Lebens 143
Entwicklung neuer Welten 144
Was Menschen spielen 146
Lust auf ein Spiel mit Wörtern? 146
Klüger als Menschen? 147
Raffinierter spielen 150
Wie man „Spit-Not-So“ gewinnt 151
Betrachtungsweisen 152
Spiele, überall Spiele 153
10 Wie man den Wald und die Bäume sieht 154
Die Magie des Gedankenlesens 154
Muster sieht man überall 154
Magische Übereinstimmung und zauberhafte Codes 156
Lesen Sie selbst Gedanken! 156
Eine schiefgelaufene Mustererkennung geradebiegen 158
Primzahlenmagie 160
Primzahlenmuster als Bravourstück mathematischer Magie 160
Verzauberte Muster – alles ganz zufällig? 161
Primfaktoren 162
Mathematik hilft bei der Mustersuche 162
Muster durch die Nase: ein anrüchiger Kartentrick 163
Der geheime, gar nicht anrüchige Algorithmus 164
Computervision – die Welt wirklich sehen 164
Computer, die Kanten sehen 164
Was steckt in einem Bildmuster? 167
Die Dinge ändern sich 169
Mit Mustererkennung Krankheiten und Verbrechen vorhersagen 171
11 Medizinische Märchen durchleuchtet 172
Lebendig in Scheiben schneiden 172
Kriegsschiffe, Beatles und Körperteile 172
Sie und Ihr Röntgenschatten 173
Digitale Schatten 173
Spielen wir „Schiffe versenken“ 174
Spiele mit Papier und Bleistift 174
Miniatur-„Schiffe versenken“ 175
Ich sehe keine Schiffe … 176
Anleitung zum automatischen Aufspüren von Schiffen 176
Zurück zu den Röntgenstrahlen 178
Ein Röntgenstrahl markiert den Punkt 178
Das CT der Beatles 179
Magnete und Modelle 180
Eine Scheibe Magnetismus 181
Bewegungen beobachten 181
Weitere Messungen 182
Heiß und glücklich 182
Die Höhle in Ihrem Kopf 182
Tief einatmen! 183
Technologie erfordert Teamwork 183
12 Computer gegen Gehirn 185
Denken wie ein Computer? 185
Menschen als Computer 185
Computational Thinking im Alltag 186
Computational Thinking der Computer 187
Verwirrende Planungen 187
Maschinen, die Fehler machen 188
Hilfsbereite Maschinen 189
Das Spiel mit den Widersprüchen: Der unmögliche Raubüberfall 191
Die Spur verlieren 191
Der unmögliche Trick der Räuber 191
Was passiert hinter den Kulissen? 192
Verbergung des Raub-Algorithmus und der Zustandsraum 193
Die magische Vergangenheit inspiriert Ihre magische Zukunft 194
Die Welt der Illusionen 195
Erfüllen unsere Sinne die Erwartungen? 195
Die Sinnestäuschung von Süße 195
Temperatur-Sinnestäuschung 196
Tast-Sinnestäuschung 197
Größe-Gewicht-Sinnestäuschung 197
Jetzt sehen Sie es! 198
Ein mathematisches Modell des Verstandes 199
Das Gesetz von Weber 199
Ein gewichtiges psychophysikalisches Experiment 199
Drücken wir es mathematisch aus 200
Ich sage voraus, dass … 200
Eine nützliche Universalregel 201
Mit Biologie zu einer besseren Technologie 201
Das voreingenommene Gehirn 203
Der Nummer-37-Trick eines Straßenzauberers 203
Psychologie, Voreingenommenheit und Kognitionsforschung 204
Voreingenommenheit steckt überall 204
Unvollkommene Computer 206
Was sich reimt, ist gut … 207
13 Was also ist Computational Thinking? 208
Sammelbegriff verschiedener Techniken 208
Algorithmisches Denken 209
Computermodellierung 210
Wissenschaftliches Denken 211
Heuristik 211
Logisches Denken 212
Mustererkennung 212
Darstellung 213
Abstraktion 214
Verallgemeinerung 215
Zerlegung 217
Menschen verstehen 218
Evaluation 219
Kreativität 222
Zusammenfassung 223
14 Weiterführende Literatur 225
Wenn es um Informatik geht … 225
Wenn es um Mathematik geht … 226
Wenn es um Magie geht … 228
Wenn es um etwas anderes geht … 228
Auf der Grundlage von … 229
Sachverzeichnis 230