10 Thesen zur Fachdidaktik Nachrichtentechnik/Technische Informatik

Nichts beschleunigt mehr und verursacht auch gesellschaftliche Veränderungen als die explosionsartig zunehmende weltweite technische Kommunikation!

Bis ins letzte Jahrhundert entwickelten sich die meisten Völker sprachlich, politisch, technisch-wissenschaftlich bzw. kulturell weitgehend heterogen, weil sie bis auf Ausnahmen voneinander isoliert waren, weil keine oder zensierte Kommunikation über die Grenzen hinaus stattfand. Ganz anders die neuere Geschichte: Krieg und Frieden, Arbeitsplätze und Sozialwesen, Bildung und Wissenschaft, Vorsorge und Gesundheit, Organisation und Verfügbarkeit, Reaktion und Korrektur, Vorhersagbarkeit und Zwangsläufigkeit, Transparenz und Erkenntnis sind untrennbar mit ihr verbunden. Hieraus resultiert auch die nicht zu leugnende große allgemeinbildende Bedeutung der Nachrichtentechnik und damit auch die gesellschaftspolitische Bedeutung einer Fachdidaktik Nachrichtentechnik. Immer mehr ist berufliche Mobilität gleichbedeutend mit der praxisorientierten Anwendung und dem Verständnis der Kommunikationstechnik. Politische Instabilität entpuppt sich mehr und mehr als ein kommunikatives Problem mit wirtschaftlichem und auch bildungspolitischem Hintergrund. Unsere Demokratie ist ohne eine dynamische Kommunikation nicht denkbar. Die weltweiten Computernetze werden mit großer Sicherheit unser Leben mehr verändern als jede andere technische Entwicklung. Bereits jetzt können viele Arbeitsplätze weltweit an einem beliebigen Platz stehen, und diese lawinenartige Entwicklung wird uns und unsere Umgebung verändern.

Kommunikation scheint darüber hinaus das primäre Kriterium für biologisches Leben zu sein.

Von der molekularen Ebene (DNS, Erbanlagen, aber auch Duft, Geschmack) über die Kommunikation zwischen lebendigen (!) Zellen (Neuronen/Synapsen, Nerven), über die Sinneswahrnehmung und Regelmechanismen von Mensch und Tier bis hin zur Reproduktion der Arten selbst zeigt sich die Natur als großartiger Lehrmeister der Wissenschaft Nachrichtentechnik. Nachrichtentechnik beschäftigt sich im weitesten Sinne wie die Natur vorwiegend mit Mustererkennung! Andererseits werden Begriffe, Inhalte, Prozesse und Modelle der Nachrichtentechnik inzwischen in allen Wissenschaften verwendet, die im engen als auch weitesten Sinne kommunikative Modelle betrachten. Mit der Kybernetik - einem Teilgebiet der Nachrichtentechnik - hat sich inzwischen eine Art Überwissenschaft entwickelt, welche z.B. für die Wissenschaft Biologie als auch für die Wissenschaft Volkswirtschaft unverzichtbar erscheint. So wird Krebs inzwischen auch als kommunikatives Problem" zwischen Zellen, wird das Spannungsfeld zwischen Angebot und Nachfrage oder zwischen Konjunktur und Geldstabilität als kompliziertes dynamisches Regelkreismodell betrachtet.

Die Fachdidaktik Nachrichtentechnik besitzt bereits jetzt eine bedeutende bildungspolitische Dimension, die über das Fachspezifische weit hinausgeht!

Sie muss als mächtiges und bedeutsames Werkzeug begriffen werden, selbst komplexe Kommunikationsprozesse bzw. -systeme mit Hilfe einfacher Grundmuster und Strukturmodelle auch einem wissenschaftlich nicht vorgebildeten Adressatenkreis transparent und verständlich zu machen. Die Fachdidaktik soll und muss den "Blick hinter die Kulissen" solcher Prozesse/ Systeme lenken. Sie muss es z.B. leisten, die (mathematische) Barriere zwischen der Fachwissenschaft Nachrichtentechnik - der Theorie der Signale - Prozesse - Systeme - und dem nichtwissenschaftlich vorgebildeteten Auszubildenden oder Techniker zu überwinden und die Inhalte wissenschaftsorientiert in der Sprache und mit dem Vorstellungsvermögen der Lerngruppe zu vermitteln. Sie kann wesentlich mehr bewirken als eine rein fachspezifische berufliche oder wissenschaftliche Bildung. Ihre Inhalte/Modelle sind von großer Universalität und besitzen deshalb allgemeinbildenden Charakter. Keine Schulform, keine Aus-, Fort- und Weiterbildung kann künftig an ihr vorbei!

Unbeschadet aller pädagogischen Bemühungen um Veranschaulichung und Elementarisierung ist der wesentliche Ansatzpunkt einer so verstandenen Fachdidaktik Nachrichtentechnik die Fachwissenschaft Nachrichtentechnik selbst!

Sie liefert eindeutige Erklärungsmodelle nachrichtentechnischer ”Phänomene", die also in sich schlüssig und insgesamt widerspruchsfrei sind. Dies ist zumindest ihr wissenschaftlicher Anspruch. Weiterhin besitzt die Fachwissenschaft Nachrichtentechnik bzw. die Theorie der Signale - Prozesse - Systeme selbst einen didaktischen Kern. Sie hat sich nicht zufällig so entwickelt, wie sie sich entwickelt hat. Ihre Begriffe, Inhalte, Modelle sind das Ergebnis einer bald hundertjährigen Entwicklungsgeschichte. Jeder Begriff, jedes Modell ist unzählige Male kritisch hinterfragt und experimentell überprüft worden. Alles, was sich nicht im Laufe dieser Entwicklungsgeschichte bewährte, zu Widersprüchen führte oder durch einen übergeordneten Begriff überflüssig wurde, verschwand und wird verschwinden. Dieser Prozess kann natürlich nicht abgeschlossen sein und es kündigen sich jetzt bereits für die Zukunft bestimmte Paradigmenwechsel an (z.B. Fuzzy-Logik und Neuronale Netze).

Mikroelektronik macht nichts anderes als Signalverarbeitung!

Die beiden anderen ”Zutaten" der Mikroelektronik - Hardware und Software - sind unübersehbar und veralten schnell, weil derzeit die Innovationsgeschwindigkeit auf keinem Gebiet größer ist. Während der Ausbildung vermittelte diesbezügliche Inhalte sind oft genug bereits beim Einstieg ins Berufsleben veraltet. Ganz anders ist dies mit der Theorie der Signale - Prozesse - Systeme. Sie ist zeitlos, weil sie auf Naturgesetzen basiert! Sie bietet die einzige Chance, langfristig verwendbares Fachwissen zu erwerben. Sie ist die einzige Chance, der Mikroelektronik - als Synonym für Nachrichtentechnik - Struktur und Transparenz zu geben. Wer also die künftige berufliche Mobilität seiner jetzigen Lerngruppe ernst nimmt, ist gut beraten, diese ”Theorie" in den Mittelpunkt seines nachrichten-technischen (bzw. allgemein systemtechnischen) Unterrichts zu stellen und fragmentarisches Faktenwissen auf das Prüfungsrelevante oder/und auf das absehbar Aktuelle zu reduzieren.

Die Fachwissenschaft Nachrichtentechnik flirtet zu einseitig mit der Mathematik und vergisst dabei ihre ureigene Bindung: Die Physik!

Unter der fachwissenschaftlichen Theorie der Signale - Prozesse - Systeme wird allgemein die mathematische Modellierung signaltechnischer Prozesse auf der Basis physikalischer Phänomene verstanden. Die Hochschullehre setzt hierbei den Schwerpunkt eindeutig zu einseitig auf das mächtige Werkzeug Mathematik. Dies bedingt zwei gravierende negative Folgen: Einmal die undurchdringbare Barriere zur Fachwissenschaft für mathematisch-wissenschaftlich nicht Vorgebildete, zum anderen Ingenieure, die zwar die obige "Theorie" gehört, aber inhaltlich kaum verstanden haben (können) und anhand der Praxis mühsam versuchen müssen, die Dinge geistig zu durchdringen und mit Sinn zu füllen (Was diese beiden Folgen Jahr für Jahr volkswirtschaftlich auf Heller und Pfennig kosten, dürfte unvorstellbar hoch liegen). Sträflich vernachlässigt wurde und wird der substantiell dominierende Part dieser Theorie: die physikalischen Phänomene. Alle realen nachrichtentechnischen Geräte/Systeme gehorchen den Naturgesetzen, d.h. in der Nachrichtentechnik ist nichts möglich, was der Physik widerspricht. Die Physik bildet damit den Ausgangspunkt sowie Rahmen und Randbedingungen der Nachrichtentechnik. Die primären Erklärungs-modelle liegen deshalb nicht in der Mathematik, sondern in der Schwingungs- und Wellen-physik verborgen. Nachrichtentechnische Vorgänge müssen deshalb prinzipiell (auch) darüber vermittelbar, erklärbar, veranschaulichbar sein.

Es gibt kaum eine andere Idee, die einer Fachdidaktik Nachrichtentechnik hilfreicher sein könnte, als das FOURIER-Prinzip!

Wissenschaftsorientierte Darstellung des Gesamtkomplexes Signale - Prozesse - Systeme bedeutet, folgendem - für die (exakten) Wissenschaften allgemeingültigen - Kriterium genügen zu müssen: Auf der Basis weniger Grundphänomene oder Axiome lässt sich eine übersichtliche Struktur aufbauen, welche die Erklärung der unendlich vielen "Spezialfälle" nach einem einheitlichen Schema erlaubt. Wie sich nun eindrucksvoll zeigen lässt, gibt es im wesentlichen einen Ausgangspunkt, von dem ausgehend sich die Nachrichtentechnik aufspannen lässt: das FOURIER-Prinzip. Es verleiht dem Gesamtkomplex Übersichtlichkeit und Transparenz, weil nach ihm alle Signale so aufgefasst werden können, als seien sie aus lauter Sinusschwingungen (verschiedener Frequenz) zusammengesetzt. Es trägt fast durch die gesamte Nachrichtentechnik, weil aus ihm folgt: Ist bekannt, wie ein System auf Sinusschwingungen verschiedener Frequenz reagiert, so ist damit auch bekannt, wie es auf jedes andere der unendlich vielen verschiedenen Signale reagiert! Eine Konsequenz ist, dass Signale grundsätzlich aus zwei Perspektiven betrachtet werden: dem Zeit- und dem Frequenzbereich.

In jedem nachrichtentechnischen System läuft eine Anzahl ”physikalisch sinnvoller” Prozesse ab. Diese gilt es zu veranschaulichen.

Ein System lässt sich als Blockschaltbild darstellen, in dem meist mehrere Bausteine miteinander verknüpft sind. Jeder Baustein verkörpert einen nachrichtentechnischen Prozess, bei dem das jeweilige Eingangssignal gezielt verändert wird. Durch Vergleich des Ausgangssignals mit diesem Eingangssignal lassen sich die Prozesseigenschaften beschreiben. Nun ist die Anzahl der in der Nachrichtentechnik normalerweise verwendeten - linearen und nichtlinearen - Prozesse durchaus überschaubar und nachvollziehbar. Dies gilt durchweg auch für mathematisch-naturwissenschaftlich nicht Vorgebildete, falls diese Signale visualisiert und physikalische Erklärungsmuster herangezogen werden (z.B.: Jede zeitliche Einschränkung eines Signals ergibt eine entsprechende frequenzmäßige Ausdehnung und umgekehrt (Unschärferelation!)). Angesichts der Tatsache, dass auf Chips mehr und mehr ganze Systeme integriert werden, bleibt für die Fachdidaktik überhaupt keine andere Chance, als diese dort stattfindenden Prozesse zu einem ganzen System zusammenzusetzen (Synthese) oder das System über die Prozesse aufzugliedern (Analyse). Um einem modischen Trend hierbei entgegenzuwirken: Die Reduktion von Prozessabläufen auf die drei ”transportablen” Größen Materie - Energie - Information reicht nicht aus, herangezogen werden müssen die Phänomene sowie die messbaren Größen der Schwingungs- und Wellenphysik! 
Nicht verschwiegen werden soll in diesem Zusammenhang ein weißer Flecken auf der physikalischen Landkarte: Es gibt zwar in der Physik bewährte Theorien zur Mechanik, Thermodynamik, zum Elektromagnetismus, zur Quantenphysik usw., jedoch derzeit keine befriedigende physikalische Informationstheorie! Erst wenn die Information als grundlegende Größe - wie Masse, Energie usw. - anerkannt ist und genutzt werden kann, wird die Signalverarbeitung eine physikalische Disziplin bilden, ausschließlich basierend auf physikalischen Grundbegriffen. Die von Claude Shannon geschaffenene (derzeitige) Informationstheorie wird - leider - als mathematische Theorie verstanden (basierend auf Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung). Ihre notwendige Ausrichtung auf die Physik ergibt sich aus folgendem Axiom: In der Technik - also auch in der Nachrichtentechnik - gibt es nichts, was den Naturgesetzen widerspricht! Deshalb müssen (!) die Grundlagen und Rahmenbedingungen der Signalverarbeitung physikalischer Natur sein! Information ist physikalisch, den ein physikalisches Medium kann keine nichtphysikalische Größe transportieren!

Die prozessor- bzw. computergestützte Signalverarbeitung (Digital Signal Processing DSP) verschiebt die Grenzen des technisch Machbaren immer mehr zu den physikalischen (absoluten) Grenzen hin. Sie verschmilzt Theorie und Praxis zu einer Einheit und liefert auch für die Fachdidaktik überzeugende Lösungen.

Die Analogtechnik wird immer mehr in die Außenbereiche" der Mikroelektronik verdrängt, hin zur Signalquelle bzw. Signalsenke. Sie kann im Nachhinein als ”Krücke” gesehen werden, mit denen signaltechnische Prozesse sehr unzulänglich, fehler- und störungsbehaftet durchgeführt werden konnten. Indem jede Analogschaltung als Analogrechner betrachtet wird - genau diese Funktion hatten Analogschaltungen immer aus der Sicht der Theorie - , stechen die Vorteile der Digitaltechnik direkt ins Auge: Beliebige Rechengenauigkeit, Störungsfreiheit, und endlich lassen sich alle nachrichtentechnischen Prozesse in ”Reinkultur” durchführen (z.B. Filterung, Verzögerung, Korrelation). Die Distanz zu den absoluten physikalischen Grenzen schmilzt; sie hängt u.a. ab von der Schnelligkeit und Präzision der A/D- und D/A-Wandler und der Rechenleistung (Echtzeitverarbeitung) ab. Jeder nachrichtentechnische Prozess lässt sich im Digitalrechner durch einen mathematischen Algorithmus beschreiben (Aber nicht jeder mathematische Algorithmus ergibt einen (physikalisch) sinnvollen Prozess!). Weil der ”theoretische” Prozess-Algorithmus direkt im Computerprogramm verwendet wird, bilden nun auch Theorie und Praxis eine Einheit. Somit gibt es für die Fachdidaktik nur die Möglichkeit, die ”Theorie der Signale - Prozesse - Systeme” didaktisch so zu reduzieren und zu elementarisieren, dass sie ”allgemein” verständlich ist.

Die grafische Programmierung virtueller und realer Systeme ist für die Zukunft der Joker gleichermaßen für Fachwissenschaft und Fachdidaktik!

Sie gestattet es, ohne großen Zeitaufwand, Kosten und auf umweltfreundliche Art und Weise jedes nachrichtentechnische System als Blockschaltbild auf dem Bildschirm zu generieren, zu parametrisieren, zu simulieren, zu optimieren und über spezielle Hardware (z.B. Multifunktionskarten) real mit der Außenwelt in Kontakt zu treten. Durch das Verbinden der Bausteine (Prozesse) auf dem Bildschirm zu einem Blockschaltbild entsteht im “Hintergrund” ein virtuelles System, indem die entsprechenden nachrichtentechnischen Algorithmen für den Gesamtablauf miteinander verkettet und gelinkt werden (Hinzufügen wichtiger Unterprogramme z.B. für Mathematik und Grafik). Herkömmliche Programmiersprachen und auch das gesamte mathematische Werkzeug werden hierdurch unwichtiger, die Barriere zwischen dem eigentlichen fachlichen Problem und seiner Lösung wird drastisch gesenkt. Programmiersprachen und Mathematik lenken dadurch nicht mehr von den eigentlichen nachrichtentechnischen Inhalten/Problemstellungen ab. Die geistige Trennung zwischen dem ”wissenden” Ingenieur und dem ”praktischen” Techniker könnte weitgehend abgebaut werden. Zeitvergängliches Faktenwissen - verursacht durch die derzeitige unendliche Vielfalt der Mikroelektronik - als derzeit wesentlicher Anteil von Aus-, Fort- und Weiterbildung ließe sich nun durch den Einsatz fortschrittlicher Technik und Verfahren auf das unbedingt Notwendige reduzieren. Als Folge ließen sich die Kosten für Aus-, Fort- und Weiterbildung vermindern sowie die berufliche Mobilität in diesem Berufsfeld drastisch erhöhen.

Version 3 vom 26.11.94  Verfasser: Studiendirektor Dipl.-Ing. Ulrich Karrenberg, Fachleiter NT/TI am Studienseminar Düsseldorf II (bis 2002)
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