Binärdarstellung von Bildern (90 Minuten)

Worum geht es in der Unterrichtsstunde?

In dieser Unterrichtsstunde erweitern die Schüler ihr Verständnis von Informationen und Daten, indem sie sich mit der Frage beschäftigen, wie Bilder im Computer gespeichert werden. Aufbauend auf dem Wissen über die binäre Darstellung von Zahlen und Texten erkennen sie, dass auch grafische Informationen letztlich auf Folgen von 0 und 1 zurückgeführt werden können.

Zunächst lernen die Schüler den Begriff des Pixels als kleinste darstellbare Einheit eines digitalen Bildes kennen. Sie verstehen, dass eine Pixelgrafik aus vielen einzelnen Bildpunkten besteht, die in einem Raster angeordnet sind. Jedem Pixel wird dabei ein Zahlenwert zugeordnet, der dessen Helligkeit oder Farbe beschreibt.

Ein zentraler Schwerpunkt der Stunde liegt auf der Darstellung einfacher Schwarz-Weiß-Bilder. Die Schüler erkennen, dass ein Pixel in einem solchen Bild nur zwei Zustände annehmen kann: schwarz oder weiß. Diese beiden Zustände lassen sich direkt mit den Binärwerten 0 und 1 darstellen. Daraus ergibt sich die Einsicht, dass ein Schwarz-Weiß-Bild als strukturierte Folge einzelner Bits gespeichert werden kann.

Darauf aufbauend lernen die Schüler den grundlegenden Aufbau eines einfachen Bilddateiformats kennen. Am Beispiel der Portable Bitmap (PBM) [also ein Raster aus Bits] wird deutlich, dass eine Bilddatei nicht „ein Bild“, sondern eine strukturierte Folge von Daten enthält. Die Schüler untersuchen den Aufbau einer solchen Datei und erkennen, dass Breite, Höhe und Pixelwerte in einer festen Reihenfolge gespeichert werden. Als Möglichkeit bietet sich hier auch an, auf den Unterschied zwischen dem „Header“ mit den Vorgaben für die Datei (Dateiformat und Breite/Höhe) und dem „Body“ (die Bilddaten selbst) einzugehen.

In der Praxisphase arbeiten die Schüler mit einem spezialisierten Visualisierungsprogramm für PBM- und PGM-Dateien. Sie interpretieren Pixelwerte als Rasterbilder, analysieren vorhandene Bilddateien und erstellen selbst einfache Pixelgrafiken. Dabei erfahren sie, dass digitale Bilder regelbasiert aufgebaut sind und sich direkt aus numerischen Daten rekonstruieren lassen.

Die Stunde verdeutlicht damit, dass auch grafische Darstellungen im Computer auf einer formal strukturierten Datenrepräsentation beruhen.

Lehrplanbezug:

Lernbereich 1: Informationen und Daten

Die Unterrichtsstunde ist dem Lernbereich 1 zugeordnet und deckt insbesondere folgende Inhalte ab:

Kennen der Begriffe Informationen und Daten
- Darstellen von Daten als Binärzahlen
- Vielfalt der Darstellungsformen von Informationen
- Umwandeln von Einheiten informatischer Größen (Bit/Byte)
Übertragen informatischer Konzepte auf die Erstellung digitaler Medien
- Problembezogene Auswahl von Anwendersoftware

Die Schüler erkennen, dass auch Bilder als Daten dargestellt werden können und dass ihre Speicherung auf strukturierten numerischen Informationen basiert. Damit wird das Verständnis für die formale Darstellung unterschiedlicher Informationstypen weiter vertieft.

Kompetenzbezug (ausgewählte Zuordnung)

Eine direkte Zuordnung zu den allgemeinen Kompetenzbereichen ist in den folgenden Bereichen möglich:

Darstellen und Interpretieren
- Die Schüler interpretieren numerische Pixelwerte als grafische Darstellung und übertragen Bilddaten in ein Rasterbild. Sie erkennen den Zusammenhang zwischen Pixelwerten und sichtbaren Bildstrukturen.
Strukturieren und Vernetzen
- Sie verstehen, dass digitale Bilder aus strukturierten Pixelrastern bestehen und übertragen das Prinzip der binären Darstellung auf grafische Informationen. Zudem erkennen sie den Zusammenhang zwischen Dateiformat und Datenstruktur.
Modellieren und Implementieren
- Die Schüler nutzen ein Spezialprogramm zur Visualisierung von PBM- und PGM-Dateien. Sie verändern Pixelwerte gezielt und beobachten die Auswirkungen auf das entstehende Bild.
Begründen und Bewerten
- Die Schüler reflektieren unterschiedliche Möglichkeiten zur Darstellung digitaler Bilder.
  Sie begründen, warum Pixelwerte zur Beschreibung von Bildern verwendet werden und bewerten einfache Bilddarstellungen hinsichtlich ihrer Struktur und Verständlichkeit.

Unterrichtsskizze:

04_Unterrichtsentwurf_Binärdarstellung_von_Bildern Herunterladen

Hefterinhalt:

Als Arbeitsblatt mit „Lücken“:

04_Arbeitsblatt_Binärdarstellung_von_Bildern Herunterladen

Gelöstes Arbeitsblatt (Hefterinhalt):

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Tafelanschrieb:

Interaktive Präsentation

Interaktive PDF zum Download:

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Praxisübung:

Klasse 07 – Lernbereich 1: Modul 04