Computational Thinking – Wird der Mensch zur Maschine?

Unsere Welt hat sich seit der Erfindung und Etablierung des Internets innerhalb weniger Jahrzehnte grundlegend verändert – so schnell wie nie zuvor in der Menschheitsgeschichte. Kein Wunder, wenn man bedenkt, dass Daten innerhalb von Millisekunden von einem Kontinent zum anderen gesendet werden.
Das digitale Zeitalter hat viele lebensbereichernde, aber vor allen lebensverändernde Erfindungen mit sich gebracht, die den Alltag von jedem von uns prägen. Für viele Menschen steckt hinter dieser Technologie nach wie vor die Vorstellung von Informatiker*innen, die den ganzen Tag vor ihren Rechnern sitzen und an hochkomplexen Algorithmen basteln. Es ist jedoch ein Irrglaube, dass die Maschine das Untersuchungsobjekt der Informatik ist. Schließlich sind Computer auch nur von Menschen gestaltete Systeme und kein Naturphänomen, die es zu bewundern und zu ergründen gilt.
Und genau an dieser Stelle liegt der entscheidende Knackpunkt: Der Mensch und seine kreative Gestaltungskraft sind die eigentlichen Gegenstandsbereiche der Informatik und vieler weiterer Disziplinen. Davon ist zumindest die Informatikprofessorin Jeannette Wing überzeugt, die seit 2006 rund um das sogenannte „Computational Thinking“ forscht, und darum kämpft, dass das informatische Denken einen festen Platz in den Curricula der Schulen erhält.

Erste Bundesländer haben sich diesem Trend bereits angeschlossen und das „Computational Thinking“ in den Sachunterricht der Primarstufe sowie in den Informatikunterricht der Sekundarstufe integriert. Doch dies reicht noch lange nicht aus, um, bezogen auf diese Kompetenz, die Position Deutschlands im internationalen Vergleich zu verbessern.
Laut der ICIL-Studie 2018, in der erstmals auch die Kompetenz des „Computational Thinkings“ getestet wurde, schneidet Deutschland in diesem Bereich nämlich unterdurchschnittlich schlecht ab. Eine Verankerung dieses analytischen, von Algorithmen geprägten Denkens in den Lehrplänen Deutschlands erscheint als eine Lösung des Problems.

Doch was ist dieses „Computational Thinking“? Warum sollten wir es in die Schulen, ja sogar in die Kindergärten integrieren? Und werden damit kommende Genrationen zu Maschinen erzogen?

„Computational Thinking“ – Was ist das überhaupt?

„Computational Thinking ist der Gedankenprozess, der sowohl die Formulierung eines Problems als auch die Repräsentation der Problemlösung so darstellt, dass sie von Menschen oder durch Maschinen ausgeführt werden könnte.“

Quelle: https://www.nzz.ch/feuilleton/soll-der-mensch-wie-ein-computer-denken-ld.1292090

Dabei wird die Problemlösung in mehrere Schritte mit bestimmten Aufgabentypen unterteilt, die dann in einen Computer programmiert werden können, um somit das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Das computergestützte Denken umfasst entsprechend eine Reihe von mentalen Werkzeugen, die die Breite des Gebietes der Informatik widerspiegeln.

Damit bildet die Technik des Computational Thinkings einen Rahmen für das Nachdenken über Aufgaben und Probleme und kann (Schüler*innen) dabei helfen, die Funktionen der digitalen Geräte des Alltags besser zu verstehen. Aus diesem Grund fordern Forscher*innen, dass ergänzend zu Lesen, Schreiben und Rechnen jedem Kind das informatische Denken als notwendige analytische Fähigkeit vermittelt werden sollte.

1940er:

  • Entwicklung erster Computer
  • Etablierung des Begriffs „Computational Thinking“

1980er:

  • Zusammenwirken von Wissenschaft und Informatik zur Erstellung von Modellen
  • Prägung des Begriffs „Computational Thinking“ von Seiten der Wissenschaft
  • Anwendung des Begriffs auf ein pädagogisches Konzept

2006:

  • Veröffentlichung des Artikels mit dem Titel „Computational Thinking“ von Jeannette Wing

Konzeptualisierung, nicht Programmierung
Denken wie ein Informatiker erfordert Denken auf mehreren Abstraktionsebenen.

Grundlegende- statt Routine-Fähigkeiten
Grundlegende Fähigkeiten gehen über die der Routine weit hinaus, denn jeder Mensch muss sie beherrschen, um in der (modernen) Gesellschaft bestehen zu können.

Wie Menschen denken, nicht wie Computer
Informatisches Denken strebt nicht an, Menschen wie Computer denken und handeln zu lassen. Es soll repräsentieren, wie Menschen Probleme lösen – vor allem jetzt, wo sie mit Rechnern ausgestattet sind, die es ermöglichen, Probleme anzugehen und Systeme zu konstruieren, deren Funktionalität nur durch unsere Vorstellungskraft eingeschränkt ist.

Ergänzt und kombiniert mathematisches und ingenieursmäßiges Denken
Informatik stützt sich zwar grundlegend auf mathematisches Denken, bezieht sich aber ebenso auf das ingenieursmäßige Denken, da Systeme gebaut werden, die mit der realen Welt interagieren. Informatiker*innen müssen also einerseits, beschränkt durch die verwendeten Geräte, mathematisch und ingenieursmäßig denken, haben aber andererseits die Möglichkeit, virtuelle Welten, fern von jeglichen Beschränkungen, zu konstruieren.

Idee, kein Artefakt
Nicht nur Software- und Hardware-Artefakte sollen physikalisch präsent sein und das Leben nachhaltig beeinflussen, sondern auch informatische Konzepte zur Problemlösung.

Für alle, überall
Computational Thinking wird ein fester Bestandteil des menschlichen Handelns werden.

Quelle: https://www.cs.cmu.edu/afs/cs/usr/wing/www/ct-german.pdf

Aufbau

„Denken wie ein Informatiker geht über Programmierfähigkeiten deutlich hinaus. Es erfordert Denken auf mehreren Abstraktionsebenen.“

Quelle: https://www.cs.cmu.edu/afs/cs/usr/wing/www/ct-german.pdf

Beim computergestützten Denken werden verschieden Abstraktionsebenen geschaffen und genutzt, um Probleme effektiver verstehen und lösen zu können. Das offensichtlich schwierige Problem soll in ein Problem umgeformt werden, dass durch Prozesse wie Reduktion, Einbettung, Transformation oder Simulation gelöst werden kann. Dabei geht es vor allem darum, ähnlich wie Algorithmen zu denken und auf diese Weise mathematische Konzepte anzuwenden, um effizientere und sicherere Lösungen zu entwickeln.

Das Lösen von Problemen im Sinne des Computational Thinkings setzt sich aus vier Schritten zusammen:

Bei der „Zerlegung“ wird das Problem, das System, der Prozess oder die Aufgabe in kleinere Schritte unterteilt – ähnlich wie bei einem Kochrezept.

Der nächste Schritt besteht darin, im Prozess enthaltene Muster zu erkennen. Dabei wird zunächst nach ähnlichen Dingen gesucht, die zur Erfüllung der Aufgabe erledigt werden müssen. Darunter zählen beispielsweise das Timing bzw. der zeitliche Ablauf eines Prozesses.
Bezogen auf das Beispiel des Kochrezepts bedeutet das zum Beispiel, wie lange das Gericht im Ofen gebacken werden muss.

In diesem Schritt konzentrieren sich die Problemlösenden auf die bedeutenden Dinge, die im Zusammenhang mit der Aufgabe oder dem System stehen. Nur die wichtigsten Schritte und Aspekte des Prozesses werden dabei berücksichtigt.
Bei einem Kochrezept wäre es beispielsweise wichtig zu wissen, bei welcher Ofentemperatur das Gericht gebacken werden muss und welche Backform sich dafür eignet.

Die Problemlösenden entwickeln aus den vorangegangenen Schritten schließlich einen Algorithmus oder eine Formel. Dabei handelt es sozusagen um eine Liste der Schritte und Anweisungen, die befolgt werden müssen, um den jeweiligen Prozess erfolgreich abschließen zu können.
Bezogen auf Computer sind Algorithmen dazu da, ihnen mitzuteilen, was zu tun ist, wenn zwei oder mehrere Dinge passieren bzw. was zu tun ist, wenn diese Dinge nicht passieren sowie wann und wie Aufgaben zu wiederholen sind und vieles mehr.
Wenn eine Person zum Beispiel ein computergestütztes Formular ausfüllt und dabei das Geburtsdatum vergisst, weist der Algorithmus den Computer dazu an, erst zum nächsten Schritt überzugehen, wenn alle erforderlichen Informationen vorhanden sind. Um es nochmals am Beispiel des Kochrezepts auszudrücken, wäre der Prozess, ein Gericht zu kochen, vermutlich nicht erfolgreich, wenn man das Gericht nicht im Ofen bäckt, obwohl das Rezept dies vorsieht. Im Unterschied zu einem Computer bzw. Algorithmus überwacht das Kochrezept jedoch nicht den Prozess des Kochens.

Computational Thinking – Warum sollte man es in Schulen und Kindergärten integrieren?

„Informatisches Denken stellt eine universell einsetzbare Haltung und Fähigkeit dar, die alle lernen und nutzen sollten, nicht nur Informatiker.“

Quelle: https://www.cs.cmu.edu/afs/cs/usr/wing/www/ct-german.pdf

Bereits heute gelingt es mithilfe von Computational Thinking, in der Transplantationschirurgie den Organaustausch zwischen Spendern und Empfängern zu optimieren und damit Leben zu retten. Es ermöglicht weiterhin die Analyse neuer Wirkstoffdesigns, sodass weniger arzneimittelresistente Krankheiten erzeugt werden. Und trotzdem gibt es noch genügend weitere intellektuell anspruchsvolle und spannende wissenschaftliche Probleme, die verstanden und gelöst werden müssen – nicht zuletzt mithilfe des informatischen Denkens.

Vom Computational Thinking wird angenommen, dass es insbesondere Kindern und Jugendlichen dabei hilft, sich besser auf eine zunehmend digitalisierte Welt vorzubereiten. Außerdem verfeinert es den gesamten Denkprozess so, dass er auch auf Lösungen von Problemen angewendet werden kann, die keinen technischen Hintergrund haben. Ein gutes Verständnis für das computergestützte Denken wird zukünftigen Generationen also helfen, Computer und andere Geräte besser programmieren und verwenden zu können.

Kein Wunder also, dass der Kompetenzbereich in elf europäischen Ländern bereits seit 2016 in den Lehrplänen verankert ist wie zum Beispiel:

„Digitale Grundbildung“ heißt es seit 2018 im österreichischen Lehrplan und umfasst neben anderen Kompetenzen auch den Bereich des Computational Thinkings. Dabei steht vor allem die Arbeit mit Algorithmen sowie die kreative Nutzung von Programmiersprachen im Vordergrund.

Das Vorreiterland, wenn es um digitale Bildung geht, hat die Standards für digitale Kompetenzen im Lehrplan und damit in allen Fächern fest integriert.
Im Sommer 2018 startete das dänische Bildungsministerium einen Schulversuch mit dem Ziel, Schüler*innen nicht nur als Konsumenten-, sondern allen voran als Produzenten digitaler Medien zu befähigen. Computational Thinking wurde dabei sowohl als gesondertes Fach als auch als fächerübergreifender Ansatz erprobt.

Auch in Finnland sind digitale Kompetenzen fächerübergreifend im Lehrplan integriert. Zusätzlich werden spezielle Kurse zum Programmieren wahlweise in Jahrgangsstufe acht oder neun angeboten. Seit 2014 wurden auch Standards zum algorithmischen Denken in Mathematik für die Jahrgangsstufen sieben bis neun aufgenommen. Dazu gehört zum Beispiel das Entdecken von Mustern, Verstehen von Algorithmen oder das Programmieren.

In Deutschland hingegen sind Teilkompetenzen aus dem Bereich des Computational Thinkings lediglich in einigen Bundesländern im Informatikunterricht verankert, jedoch nicht verpflichtend.
Der neue Kompetenzbereich „Algorithmen erkennen und formulieren“ wurde zwar von der Kultusministerkonferenz 2016 in die Strategie „Bildung in der digitalen Welt aufgenommen“, doch an der Umsetzung in den Lehrplänen der einzelnen Länder wird noch gearbeitet.
Forscher empfehlen daher landesübergreifende Rahmenvorgaben und länderspezifische Curricula für den Bereich des Computational Thinkings zu entwickeln.

Computational Thinking – Werden damit kommende Generationen zu Maschinen erzogen?

Wie auch Wing klarstellt sind es nicht die Computer, die es mithilfe des informatischen Denkens zu durchdringen gilt. Vor allem der Mensch und seine geistigen Fähigkeiten stehen im Mittelpunkt dieses Kompetenzbereiches. Letztendlich sind Computer also nur Hilfsgeräte, sozusagen ein verlängerter Arm des Menschen oder ein zusätzliches „Gehirn“. Aber was ihnen fehlt sind Emotionen. Und nicht nur das, denn bei der Produktion eines Rechners spielt die Psychologie allgemein absolut keine Rolle. Das wirft die Frage auf, ob es für den Menschen überhaupt einen Sinn ergibt, sich als fühlendes Wesen die Eigenschaften eines Computers anzueignen. Liegt darin ein Mehrwert für Menschheit? Oder geht damit das spezifisch Menschliche damit nach und nach verloren?

Unserer Meinung nach gibt es bei dieser Thematik durchaus ein Dualismus – ein Mittelweg sozusagen: Computerisiertes Denken ergibt in unserer heutigen Gesellschaft und auch mit Blick auf die Zukunft durchaus Sinn. Es kann auf viele Bereiche angewendet werden und bringt Menschen dazu, ein Problem von einem anderen Blickwinkel aus zu betrachten. Somit können bisher ungeahnte und ungekannte Lösungen angestrebt werden. Dementsprechend ist eine Etablierung des Kompetenzbereichs „Computational Thinking“ in den Lehrplänen Deutschlands durchaus wünschenswert und, mit Blick auf die internationale „Wettbewerbsfähigkeit“, sogar notwendig.

Aber bei der Diskussion rund um die Digitalisierung und damit auch bezogen auf das informatische Denken darf ein entscheidender Punkt nicht vergessen werden: Das (Nach-)Denken über Computer.
Wir Menschen können es anstreben und vermutlich auch erreichen, wie ein Algorithmus zu denken, aber darin sollte nicht das einzige Ziel des Computational Thinkings liegen. Denn mit neuem Wissen geht auch eine neue Verantwortung einher. Die schier endlosen Möglichkeiten des computergestützten Denkens nützen der Menschheit nichts, wenn sie sich nicht entlang ethischer Grundfesten orientieren. Diese gilt es jedoch eindeutig festzusetzen. Um es auf den Punkt zu bringen, besteht die Gefahr darin, dass der technische Fortschritt so schnell von statten geht, dass ethische Grenzen dabei drohen unterzugehen.

Welche technischen Wunder uns in den nächsten Jahren erwarten, lässt sich wohl kaum voraussagen. Aber feststeht, dass der Mensch gegenüber von Rechnern auch in Zukunft einen entscheidenden Vorteil haben wird: Emotionen. Computer werden darüber nie im gleichen Maße verfügen. Das degradiert sie schließlich lediglich zu Werkzeugen und hält die Menschen (hoffentlich) davon ab, zu Maschinen zu werden.

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