Fit fürs Studium - Informatik (eBook)

Intro

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum Sie jetzt ein gedrucktes Buch in den Händen halten können? Wie die Website zum Buch und alle anderen Websites auch programmiert und auf Ihrem Computer angezeigt werden können? Oder vielleicht, wieso eine Office-Anwendung oder ein Computerspiel auf Ihrem Computer ausgeführt werden kann? Die Informatik hat inzwischen einen großen Einfluss auf alle Bereiche unseres Lebens genommen.

Versuchen Sie doch einmal, das Gegenteil zu beweisen: Gehen Sie im Kopf Ihre letzte Woche durch, und schätzen Sie, mit wie vielen Dingen Sie in Kontakt gekommen sind, die keinen Bezug zu Informatik haben. Haben Sie etwas gefunden? Dann lassen Sie uns über ein paar Vorschläge genauer nachdenken:

Dachten Sie an Essen oder Lebensmittel? Die Landwirtschaft ist eine der digitalisiertesten Branchen überhaupt, mit Dutzenden computergesteuerten Systemen zur Qualitätssicherung, automatischen Bewässerung, Schädlingsbekämpfung, Ernteplanung und so weiter. Handelt es sich um ein maschinell hergestelltes Produkt oder überhaupt um ein Produkt, das in irgendeiner Form ausgeliefert wird, so steuert vermutlich ein Computer die Produktion, und mit Sicherheit hat bei der Auslieferung ein Algorithmus dem Paketboten den schnellsten Weg ans Ziel gezeigt.

Vielleicht hatten Sie an ein Musikstück oder einen Film gedacht? Kaum eine Medienproduktion kommt mittlerweile ohne digitale Aufnahme- und Bearbeitungstechnik aus, und selbst ältere Werke wurden längst in Nullen und Einsen überführt, übers Internet verbreitet und für die Ewigkeit archiviert.

Ein Gebäude? Wahrscheinlich hat eine Software den Architekten und den Statiker dabei unterstützt, Planungsfehler zu vermeiden. Wenn das Gebäude etwas neuer ist, werden vielleicht die Heizung und das Licht von einem Computer gesteuert. Wenn es antik ist, wurde es wahrscheinlich schon mit modernster computergestützter Technologie erfasst, um für die Geschichtsforschung neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Ein Lebewesen? Informatiker versuchen, von der Natur zu lernen, und entwickeln Algorithmen, die zum Beispiel vom Verhalten von Ameisen inspiriert sind. Auch medizinische Versorgung ohne die automatische Verarbeitung großer Datenmengen wäre heute undenkbar.

Das nächstgelegene Gewässer? Das Wetter? Höchstwahrscheinlich überwachen zu genau diesem Zeitpunkt Dutzende Sensoren den Wasserstand, den Sauerstoffgehalt, die Fließgeschwindigkeit und weitere Werte der Flüsse und Seen in Ihrer Umgebung. Und einige der leistungsstärksten Computer der Welt berechnen gerade Daten für Ihre Wettervorhersage in den nächsten Nachrichten.

Computer und digitale Systeme, so zeigt uns dieses kleine Gedankenspiel, begleiten uns mittlerweile in allen unseren Lebenslagen und sind aus unserer Welt nicht mehr wegzudenken.

Das Buch

Die Informatik ist eine faszinierende Wissenschaft, die unser gesamtes Leben prägt wie kaum ein anderes Fachgebiet. Mit diesem Buch wollen wir Ihnen diese Faszination vermitteln und Sie begeistern und befähigen, ein Studium der Informatik zu beginnen. Sollten Sie daher gerade am Ende Ihrer Schullaufbahn sein und Interesse an einem Informatikstudium haben, ist dieses Buch genau das Richtige für Sie! Das Gleiche gilt, falls die Schulzeit schon etwas länger zurückliegt, und das ganz unabhängig davon, ob Ihnen dort »Informatik« als Fach begegnet ist. Da die einzigen Voraussetzungen zum Lesen einfache Schulmathematik und Spaß am Knobeln und Lösen von logischen Rätseln sind, benötigen Sie keine weiteren Vorkenntnisse, um direkt ins Thema einsteigen zu können. Falls Sie, zum Beispiel aus dem Schulunterricht, einige Informatikkenntnisse mitbringen, hilft Ihnen das Buch dabei, dieses Wissen zu festigen und auszubauen.

Auch ohne Studienpläne sind Sie selbstverständlich herzlich eingeladen, mit diesem Buch einen Einblick in die Informatik zu gewinnen. Unserer Meinung nach gehört ein Grundverständnis digitaler Technologien längst zum wichtigen Allgemeinwissen, und die Denkmuster unserer Wissenschaft sind auch außerhalb der Informatik sehr nützlich. Egal also, ob Sie selbst etwas Informatik lernen möchten oder vielleicht auch als Lehrkraft Ideen für einen ansprechenden Informatikunterricht suchen: Wir sind uns sicher, dass diese Lektüre ein guter Einstieg ist!

Wie liest man dieses Buch?

Mit Ausnahme von ein paar Grundlagen am Anfang ist es nicht notwendig, die Kapitel in der abgedruckten Reihenfolge zu lesen. Ganz im Gegenteil: Sie können frei nach Interesse und Wissensstand Kapitel überspringen oder spätere Kapitel vorziehen.

Wir empfehlen jedoch, auf jeden Fall mit dem ersten Kapitel über Algorithmen zu beginnen, da Sie dort eingeführte Konzepte und Schreibweisen auch später immer wieder benötigen werden. Wenn Sie dann Gefallen an algorithmischem Denken gefunden haben, können Sie dieses in den Kapiteln 2 bis 9 anwenden, denn dort sprechen wir über verschiedene Standardalgorithmen und Analysetechniken der Informatik – sozusagen die Werkzeugkiste eines jeden Informatikers. Kapitel 10, »Formale Sprachen«, macht einen Ausflug in die theoretische Informatik.

In Kapitel 11, »Modellierung«, und Kapitel 12, »Datenbanken«, verlagert sich der Fokus auf die Strukturierung von Problemen, Daten, Prozessen und Systemen. In Kapitel 13, »Künstliche Intelligenz«, beleuchten wir, was es mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen auf sich hat. Anschließend steigen wir in die technische Umsetzung ein: Kapitel 14 bis 16 widmen sich der Technik hinter Computern, Netzwerken und sicherer Datenübertragung. Ab Kapitel 17, »Softwareentwicklung«, wird es richtig praktisch, denn dort beschäftigen wir uns mit der Frage, wie eigentlich große und komplizierte Software entwickelt wird. In Kapitel 20, »Hands-on: Programmieren mit Python«, schreiben Sie dann selbst Programme am Computer – hierfür ist es ratsam, zumindest die Grundlagen zu Algorithmen, Datenstrukturen, Objektorientierung, Computern und Softwareentwicklung gelesen zu haben.

Abschließend beschäftigen wir uns in Kapitel 21, »Ethik in der Informatik«, mit ethischen und gesellschaftlichen Fragestellungen: Was darf Informatik alles, und welche Verantwortung tragen wir als Informatiker? Um Ihnen wirklich alles an die Hand zu geben, was Sie für einen erfolgreichen Studienstart benötigen, geben wir Ihnen im Extro noch einen Überblick über Ausbildungswege und mögliche Berufsfelder und verraten, wie ein Informatikstudium eigentlich abläuft.

Die meisten Kapitel fangen mit einer Knobelei an, also einer kleinen Rätselaufgabe, die Sie im Kopf, auf Papier oder mit wenigen Alltagsgegenständen lösen können – insbesondere brauchen Sie außer für Kapitel 20 keinen Computer für die Bearbeitung. Anschließend lösen wir die Knobelei auf und zeigen, welche Konzepte der Informatik sich dahinter verbergen. Stück für Stück führen wir im Hauptteil des Kapitels Begriffe und Techniken ein, die wir am Kapitelende zusammenfassen und in den Gesamtzusammenhang stellen.

Ein paar Aufgaben von einfach bis schwer geben Ihnen dann die Möglichkeit, das Gelesene zu verarbeiten und anzuwenden und zu testen, ob Sie alles verstanden haben. Auch diese Aufgaben können Sie (mit Ausnahme von Kapitel 20) völlig ohne Computer oder andere technische Hilfsmittel bearbeiten.

Folgende Stile und Icons verwenden wir, um Dinge zu kennzeichnen:

• Aufgaben
  Alles, was Aufgaben betrifft, erkennen Sie auf den ersten Blick am schraffierten Seitenrand.

  Zu Beginn des Kapitels gibt es eine »Knobelei zum Einstieg«, mit der Sie ohne Vorkenntnisse in das Thema des Kapitels einsteigen können.

  Am Ende der Kapitel fordern Aufgaben Sie heraus.

  []   Manche Aufgaben fordern Sie voraussichtlich mehr als andere. Diesen Aufgaben haben wir nicht nur einen, sondern gleich drei Doktorhütchen vorangestellt.

• Lösungen
  Lösungen finden Sie immer hinter den Aufgaben eines Kapitels; jede Lösung trägt die gleiche Nummer wie die Aufgabe, die sie löst.

• Begriffe
  Begriffe erläutern wir immer im Zusammenhang. Sie erkennen einen neu eingeführten Begriff an der kursiven Schrift.