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Informatisches Denken: Schlüsselkompetenz des 21. Jahrhunderts?

Mensch und binärer Code: Informatisches Denken

“Informatisches Denken ist eine grundlegende Fähigkeit für alle Menschen, sie ist nicht nur für Informatiker wichtig. Neben Lesen, Schreiben und Rechnen sollten wir informatisches Denken zu den analytischen Fähigkeiten eines jeden Kindes hinzufügen.” Jeanette Wing, Professorin für Informatik an der Carnegie Mellon University, Mitglied der American Academy of Arts and Sciences

Informatisches Denken kann auf fruchtbare Weise zur Lösung von Problemen eingesetzt werden und hilft, Entscheidungen in komplexen Situationen zu fällen. Das informatische Denken wird manchmal als „Schlüsselkompetenz des 21. Jahrhunderts“ bezeichnet und empfohlen, es zu einem integralen Bestandteil der Allgemeinbildung zu machen – obligatorisch nicht für Informatiker, sondern wohlgemerkt für alle Menschen. Das informatische Denken führt grob gesagt dazu, dass Probleme zerlegt und auf eine bestimmte Art beschreibbar i.e. aufschreibbar gemacht werden, so dass sie – etwa wie eine mathematische Formel – am Ende zu einem Schlusspunkt i.e. einer Lösung gelangen. Die Beschreibbarkeit und die Art wie die Beschreibung strukturiert ist, stellt damit einen Teil der Lösung dar: Die Notation verändert also, was und wie wir es lösen können.

Welchen Erkenntnisgewinn generiert aber die Art, etwas aufschreiben zu können? Sehr oft einen großen und manchmal sogar einen weltbewegenden. Dazu gibt es eine erhellende Analogie aus der Geschichte: Etwa im 13. Jahrhundert wurden in Europa die römischen von den arabischen Ziffern abgelöst. Diese einfachere Form der Notation führte dazu, dass Rechenoperationen wie das Multiplizieren und das Dividieren in vielen Fällen überhaupt erst möglich wurden. Schwer vorzustellen aber wahr: Vor diesem Zeitpunkt konnte eine Fläche noch nicht berechnet werden.

Was aber beinhaltet das informatische Denken genau?

  • Algorithmisches Denken
  • Abstraktes Denken
  • Dekompositionelles Denken
  • Generalisiertes Denken und Mustererkennung
  • Auswertendes Denken / Logisches Denken

Frau als Leiterplatte: algorithmisches denken

Algorithmisches Denken: Der Ursprung von Software … und Kochrezepten

Die Informatik löst Probleme nicht mit einfachen Antworten, sondern mit Algorithmen. Ein Algorithmus ist ein schrittweiser Prozess, mit dem ein komplexes Problem gelöst oder eine Funktion ausgeführt wird. Verschiedene Eingaben in die Kette des Prozesses führen zu unterschiedlichen Lösungen. Diese werden aber alle richtig sein, wenn es der Algorithmus selbst ist. Im Grunde ist ein Algorithmus eine “formalisierte Handlungsanweisung”. Passt ein Algorithmus auf ein Problem oder eine Aufgabenstellung, dann kommen wir mit seiner Hilfe sehr schnell zu einer Lösung, ohne über das Problem nachdenken zu müssen, ja sogar ohne das Problem bis in die Details hinein zu kennen.

Übrigens folgen nicht nur unsere Computer verschiedenen Algorithmen, sondern auch mechanische(!)  Maschinen und sogar ein Kochrezept kann als ein Algorithmus angesehen werden: Befolge ich die Handlungsanweisungen in der richtigen Reihenfolge, entsteht auf jeden Fall ein Gericht – auch wenn es vielleicht nicht schmeckt, welche ich die “Eingaben” auf ungute Weise verändert habe.

Das algorithmische Denken nutzt einige Problemlösungsfähigkeiten, die auf verschiedene andere Bereiche übertragbar sind:

  • Beschreibung des Problems
  • Bestimmung der Details, die für die Lösung des Problems entscheidend sind
  • Zerlegung des Problems in kleine, logische Einheiten
  • Zusammenführung der einzelnen kleinen Einheiten zu einer Prozesskette
  • Beurteilung des Prozesses.

Computeralgorithmen haben eine überschaubare Anzahl von Bestandteilen. Sie nehmen Eingaben an und liefern Ausgaben. Sie speichern Werte, befolgen Befehlsabläufe, können zwischen verschiedenen Optionen wählen (wenn … dann) und Befehle wiederholen.
Informatisches Denken Leiterplatte

Abstraktes Denken: Der Teufel im Detail

Abstraktes Denken reduziert Komplexität, so dass wir zum Kern des Problems vorstoßen können. Für das informatische Denken besonders bedeutsam ist der Umstand, dass alles weggelassen werden muss, was zufällig ist und dasjenige übrig bleibt, was zur Lösung des Problems nötig ist. Die Vereinfachung erlaubt, dass das informatische Denken ein Modell entwirft, mit dem man arbeiten kann.

Wie können jedoch komplexe Probleme mit vereinfachenden Modellen gelöst werden? Die Antwort lautet: Es geht im Wesentlichen darum herauszufinden, was wichtige und was unwichtige, zufällige Aspekte sind. Abstraktion muss getreu dem Zitat Albert Einsteins ablaufen: “Mache alles so einfach wie möglich, aber nicht einfacher.”

⇨ Informatiker nutzen oft mehrere Abstraktionsebenen!

Dekompositionelles Denken: Zerlegen und zusammensetzen

Die Dekomposition von komplexen Problemen zerlegt das große Problem in viele kleine Einzelprobleme, die einfach zu lösen sind. Die Einzellösungen bauen aufeinander auf und ergeben die Gesamtlösung. Um das Bild vom Kochrezept aufzugreifen: Das fertige Gericht stellt den Koch vor eine große Herausforderung; die einzelnen Teilaufgaben tun es nicht.

Generalisiertes Denken und Mustererkennung: Der planbare Fehler

Abstraktes Denken ermöglicht es, Muster zu erkennen und sie von einem Sachverhalt auf einen anderen zu übertragen. Um ein Muster erkennen zu können, muss sich die Wahrnehmung wiederum auf die wesentlichen Details eines komplexen Problems fokussieren. Das informatische Denken bedient sich dabei einer heuristischen Grundhaltung: Es nutzt möglichst einfache, aber effiziente Denkstrategien, die zu mutmaßlichen Schlussfolgerungen führen. Es erkennt Muster in Problemstellungen und überträgt sie heuristisch auf die Lösung. Dieser Denktradition inhärent ist das Wissen um die Unsicherheit der Ergebnisse. Der einzelne Fehler und die Fehlbarkeit an sich sind zunächst noch eine unbekannte Größe, die im Prozess jedoch schon eingeplant sind.

Auswertendes Denken / Logisches Denken: “Debugging” ohne Ende

Hat das informatische Denken einen Algorithmus entworfen, geht es letztlich darum, seine Wirksamkeit und Leistungsfähigkeit zu bewerten. Dabei versucht man nicht nur, alle Eingaben zu finden, die Fehler am Ausgang produzieren. Es geht auch noch einmal abschließend darum, den gesamten Prozess auf seine Logik hin zu überprüfen. Das auswertende Denken muss also mit Hilfe von vorhandenem Wissen Regeln für die Lösung festlegen und sie mit Hilfe von Tatsachen überprüfen. Ähnlich wie in der Erkenntnistheorie von Karl Popper geht insbesondere die Informatik davon aus, dass es nur zwei Arten von Programmen gibt: Solche, bei denen Fehler bekannt sind und solche, bei denen keine Fehler bekannt sind. Ist ein Algorithmus so geschaffen, das er Unsicherheit i.e. Fehlerhaftigkeit komplett ausschließt, ist er vermutlich unterkomplex – taugt also nicht dazu, auf komplexe Probleme übertragen zu werden. Darüber hinaus fragt das bewertende Denken im Sinne der Akzeptanz von Fehlerhaftigkeit: Ist eine ungefähre Lösung für ein Problem ausreichend oder benötigen wir eine genaue Lösung?

“Doch eine Problemlösung zieht – insbesondere in komplexen Problemfelder – eine neue Problemstellung nach sich.” Ingo Radermacher in Denk klar. Klug entscheiden in digitalen Zeiten (2018)

Matrix: Informatisches Denken

Fazit: Informatisches Denken unplugged

Wer sich mit dem Thema “informatisches Denken” beschäftigt, merkt schnell: Vieles kennen Nicht-Informatiker aus etlichen anderen Lebensbereichen. Es geht in diesem Sinne beim informatischen Denken eher um den derzeitigen Endpunkt einer langen Denktradition. Der Informatik haben wir es zu verdanken, dass “Denkoperationen” klar benannt, eingeordnet und genutzt werden – eine Inspiration für Denker und Entscheidungsfinder aus anderen Disziplinen. Insofern möchte ich zum Schluss mit Nachdruck die Handlungsmaxime #2 von Ingo Radermacher wiederholen (Digitalisierung selbst denken, 2017): Werde zum Teilzeit-Informatiker!

“In der Informatik geht es genauso wenig um Computer, wie in der Astronomie um Teleskope.” Edsger Wybe Dijkstra, Informatiker, Preisträger des Turing Award

 

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