Pixel-Bilder — Wie speichert ein Computer Bilder?

Algorithmen Unplugged Klasse 2–4 ~45 Min 2–5 Kinder

Pixel-Bilder — Wie speichert ein Computer Bilder?

MINT-Bereich: Informatik (Unplugged) | Klassenstufe: 2–4 Dauer: ~45 Min | Gruppengröße: 2–5 Kinder BEP-Bezug: Kommunikationsfreudige und medienkompetente Kinder | KC-Bezug: Sachunterricht — Medien und Technik: Medien verstehen und nutzen

Lernziele

  • Kinder verstehen, dass digitale Bilder aus kleinen Punkten (Pixeln) bestehen
  • Kinder erfahren das Prinzip des Binärcodes: 0 = aus/weiß, 1 = an/schwarz
  • Kinder können ein einfaches Bild codieren und einen codierten Code decodieren
  • Kinder (Klasse 3–4) verstehen das Grundprinzip der Datenkomprimierung (Run-Length-Encoding)

Material

  • [ ] Rasterblätter 8×8 Felder (ausgedruckt oder selbst gezeichnet) — je 2–3 Blatt pro Kind
  • [ ] Schwarze Filzstifte oder Buntstifte
  • [ ] Bleistift und Radiergummi (zum Korrigieren beim Codieren)
  • [ ] Beispiel-Bildcodes (Vorlage, siehe unten)
  • [ ] Optional für Kl. 3–4: Rasterblätter 10×10 oder 16×16

Durchführung

Forscherkreis

  1. Frage stellen — "Wenn du ein Foto machst und es auf dem Handy speicherst — wie weiß der Computer, welche Farben wo sind? Wie speichert er das Bild?" Bild auf ein Rasterblatt zeigen: "Was seht ihr, wenn ihr sehr nah rangeht?"

  2. Vermutungen sammeln — Kinder äußern Ideen: "Der Computer speichert die Farben", "Er macht eine Kopie", "Er zählt die Punkte". Impulsfrage: "Was wäre das Einfachste, was ein Computer versteht? Er versteht nur AN und AUS — oder: 1 und 0. Wie könnte er damit ein Bild speichern?"

  3. Ausprobieren — Phase 1: Decodieren — Fachkraft gibt einen Zahlencode vor (z.B. für ein 8×8-Bild). Jede Zeile ist eine Reihe von 0en und 1en. Kinder füllen das Raster aus: 0 = weißes Feld lassen, 1 = Feld schwärzen. Nach dem Ausmalen: Was zeigt das Bild? (Herz, Stern, Haus, einfache Figur)

Beispielcode für ein Herz (8×8): Zeile 1: 0 1 1 0 0 1 1 0 Zeile 2: 1 1 1 1 1 1 1 1 Zeile 3: 1 1 1 1 1 1 1 1 Zeile 4: 1 1 1 1 1 1 1 1 Zeile 5: 0 1 1 1 1 1 1 0 Zeile 6: 0 0 1 1 1 1 0 0 Zeile 7: 0 0 0 1 1 0 0 0 Zeile 8: 0 0 0 0 0 0 0 0

  1. Ausprobieren — Phase 2: Codieren — Kinder zeichnen selbst ein einfaches Motiv auf ein leeres Raster (nur schwarz/weiß). Dann schreiben sie den Code dazu auf: Zeile für Zeile, 0 = weiß, 1 = schwarz. Den Code geben sie an eine andere Gruppe zum Decodieren weiter.

  2. Beobachten — Hat die andere Gruppe das gleiche Bild herausbekommen? Wenn nicht: Wo war der Fehler im Code? Kinder suchen den "Bug" (Fehler) gemeinsam.

  3. Reflektieren — "Stellt euch vor, euer Bild hat 1000×1000 Pixel — wie viele Zahlen müsste der Computer dann speichern?" / "Was passiert, wenn sehr viele 0en hintereinander stehen — kann man das irgendwie kürzer schreiben?" (Überleitung zur Komprimierung)

Erweiterung: Run-Length-Encoding (Klasse 3–4)

Statt jede 0 und 1 einzeln aufzuschreiben, können wir zählen, wie viele gleiche Werte hintereinander kommen:

  • Normaler Code: 0 0 0 1 1 0 0 0 = 8 Zeichen
  • Komprimiert (RLE): 3W 2S 3W (3 Weiß, 2 Schwarz, 3 Weiß) = 6 Zeichen

Kinder probieren: Können sie ihre codierten Bilder mit RLE verkürzen? Wie viele Zeichen sparen sie?

Differenzierung

  • Klasse 1–2: Nur Phase 1 (Decodieren); Fachkraft gibt fertige Codes vor; Raster 8×8 mit großen Feldern; Kinder können mit Buntstiften auch Farb-Codes (z.B. R/G/B für rot/gelb/blau) erkunden
  • Klasse 3–4: Beide Phasen; Raster bis 16×16; Run-Length-Encoding vollständig erarbeiten und anwenden; Kinder berechnen: Wie viel Speicherplatz spart die Komprimierung? (Verhältnis in Prozent); Erweiterung: Wie könnte man Farbe hinzufügen? (Konzept RGB)

Hintergrundwissen (für Fachkräfte)

Digitale Bilder bestehen aus Pixeln (picture elements — Bildpunkten). Jeder Pixel hat eine bestimmte Farbe, die der Computer als Zahl speichert. Bei Schwarz-Weiß-Bildern reicht ein Bit (0 oder 1) pro Pixel. Bei Farbbildern werden üblicherweise drei Werte pro Pixel gespeichert: Rot-, Grün- und Blauanteil (RGB), je 0–255 — also 24 Bit (3 Byte) pro Pixel.

Ein einfaches Foto mit 1000×1000 Pixeln würde im unkomprimierten Format bereits 3 Megabyte benötigen. Deshalb nutzen Computer Datenkomprimierung: Algorithmen wie JPEG, PNG oder GIF reduzieren die Dateigröße erheblich. Das Run-Length-Encoding (RLE), das Kinder in dieser Aktivität erkunden, ist eines der einfachsten Komprimierungsverfahren — es funktioniert besonders gut bei Bildern mit langen gleichfarbigen Bereichen (z.B. Comics oder Icons).

Der Binärcode (0 und 1) ist das Grundprinzip aller digitalen Verarbeitung: Computer können letztlich nur zwei Zustände unterscheiden — Strom an (1) oder Strom aus (0). Alles — Texte, Bilder, Töne, Programme — ist in diesem System codiert.

Sicherheitshinweise

  • Filzstifte: auf hautfreundliche, wasserlösliche Varianten achten
  • Rasterblätter nicht aus recyceltem Papier mit Weichmachern — bei Kleinkindern irrelevant, aber bei Kleinstkindern unter 6 Jahren auf ungiftige Stifte achten
  • Keine besonderen Sicherheitsrisiken — reine Tisch-/Papieraktivität

Qualitätsprüfung

  • [x] BEP-konform | [x] KC-Bezug | [x] Forscherkreis
  • [x] Kein Computer/Gerät erforderlich | [x] Sachlich korrekt | [x] Differenziert