Unterrichtsbaustein · Detail

Tetris mit Matrizen und Rotationen

Der Baustein erschließt die Modellierung eines Spielfelds als Matrix sowie die algorithmische Verarbeitung von Bewegung, Rotation und Kollision. Didaktisch relevant ist die schrittweise Verbindung von Datenstruktur, Zustandslogik und visueller Umsetzung in einem klar nachvollziehbaren Anwendungszusammenhang.

Zeit 120 min

Format pygame

Sprache Python 2

Aufgaben 4

Vorschaubild: Tetris mit Matrizen und Rotationen

Einführung (Originalauszug)

Tetris ist ein gutes Beispiel, um eine Matrix als Datenstruktur, Rotation von Formen und eine einfache Spiellogik in pygame zu kombinieren. Du bewegst fallende Steine in einem Raster, setzt sie auf dem Boden ab und entfernst vollständige Reihen.

Didaktische Einordnung

Fachliche Zielsetzung

Im Zentrum des Bausteins steht die Modellierung eines Spielfelds als zweidimensionale Liste. Damit wird ein zentrales informatisches Konzept eingeführt: die Repräsentation eines diskreten Rasters durch eine Matrixstruktur. Darauf aufbauend werden Steine als kleinere Matrizen beschrieben und in ihrer Position durch Koordinaten verwaltet. Die Lernenden verknüpfen somit abstrakte Datenmodelle mit einer konkreten visuellen Darstellung im Spiel. Die Rotation von Formen erfordert eine strukturierte Umordnung von Matrixeinträgen und macht algorithmische Transformationen sichtbar. Die Verbindung von Modell und Implementierung zeigt sich besonders darin, dass jede Bewegung, Kollision und Zeilenlöschung direkt aus der gewählten Datenstruktur hervorgeht.

Kompetenzentwicklung

Modellierung eines Spielfelds als zweidimensionale Liste mit Zeilen- und Spaltenstruktur
Darstellung von Spielsteinen als kleine Matrizen mit belegten und unbelegten Zellen
Verwaltung eines aktiven Steins über Formdaten und Koordinaten in einer Datenstruktur
Umsetzung von Bewegungslogik über Ereignisverarbeitung und Zustandsänderungen im Hauptloop
Entwicklung einer Kollisionsprüfung für Ränder, Boden und bereits belegte Felder
Anwendung einer Matrixrotation als algorithmische Transformation von Formdaten
Analyse und Verarbeitung vollständiger Zeilen als Voraussetzung für Punktelogik und Geschwindigkeitsanpassung

Didaktischer Mehrwert im Unterricht

schrittweise Progression von der Datenstruktur über Bewegungsregeln bis zur erweiterten Spiellogik
klare Aufgabenabfolge mit gut abgrenzbaren fachlichen Teilproblemen
Förderung systematischen Denkens durch wiederkehrende Prüfung von Zuständen und Bedingungen
transparente Zielorientierung durch unmittelbar sichtbare Auswirkungen jeder Implementationsentscheidung
Unterstützung von Differenzierung durch aufeinander aufbauende Erweiterungsschritte in unterschiedlicher fachlicher Tiefe

Ablauf der Unterrichtseinheit

Spielfeld-Matrix und Tastatursteuerung

Zu Beginn wird das Spielfeld als Matrix gesichert und um eine grundlegende Tastatursteuerung ergänzt. Die Aufgabe verbindet die Repräsentation des Rasters mit ersten Bewegungsregeln und führt in die Logik ein, wann ein Stein weiterfallen darf oder neu erzeugt werden muss. Damit entsteht die funktionale Grundlage für alle weiteren Spielmechanismen.

Didaktischer Schwerpunkt: Matrixmodell und zustandsbasierte Steuerung
Typische Herausforderung: konsistente Prüfung von Randbedingungen bei Bewegungen

Tetrominos als Matrizen rotieren

Im zweiten Schritt werden verschiedene Formen eingeführt und als kleine Matrizen verarbeitet. Die Rotation verlangt eine gezielte Umordnung der Matrixeinträge und wird mit derselben Kollisionsprüfung verknüpft wie die Bewegung. Dadurch wird deutlich, dass unterschiedliche Spielaktionen auf gemeinsamen logischen Regeln beruhen.

Didaktischer Schwerpunkt: Matrixtransformation und Regelkonsistenz
Typische Herausforderung: gültige Rotation ohne Überschreitung des Spielfelds

Zeilen löschen, Punkte und Geschwindigkeit

Anschließend wird die Spiellogik um das Erkennen und Entfernen vollständiger Zeilen erweitert. Darauf aufbauend werden Punkte, Linien und Level als zusätzliche Zustände eingeführt, aus denen sich eine veränderte Fallgeschwindigkeit ableiten lässt. Dieser Schritt verbindet Datenverarbeitung mit einer nachvollziehbaren Regelentwicklung im Spielverlauf.

Didaktischer Schwerpunkt: Auswertung von Matrixzuständen und Fortschrittslogik
Typische Herausforderung: korrektes Entfernen und Ergänzen von Zeilen im Spielfeld

Full game

Die abschließende Aufgabe dient der konsolidierenden Betrachtung eines vollständigen Referenzspiels. Im Vordergrund steht nicht die Ergänzung neuen Codes, sondern das Wiedererkennen der zuvor erarbeiteten Mechanismen in einer zusammenhängenden Gesamtanwendung. Dadurch wird der Kompetenzaufbau reflektiert und fachlich gesichert.

Didaktischer Schwerpunkt: Integration und Reflexion des Gesamtzusammenhangs
Typische Herausforderung: einzelne Teilmechanismen im Gesamtsystem sicher einordnen

Arbeitsauftrag (Auszug)

Modellieren Sie das Spielfeld als Matrix und ergänzen Sie eine steuerbare Fallbewegung des aktiven Steins.
Erweitern Sie das Spiel um verschiedene Tetrominos und eine Rotation auf Basis von Matrixoperationen.
Prüfen Sie Bewegungen und Rotationen konsequent über eine einheitliche Kollisionslogik.
Implementieren Sie das Löschen vollständiger Zeilen sowie Punkte, Linien und steigende Geschwindigkeit.

Beispiel (Ausschnitt)

Der folgende Ausschnitt ist didaktisch relevant, weil er die Rotation als gezielte Umordnung einer Matrix und damit einen zentralen fachlichen Kern des Bausteins sichtbar macht.

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def drehe_matrix_rechts(form):
    hoehe = len(form)
    breite = len(form[0])
    neue_form = []
    for x in range(breite):
        neue_zeile = []
        for y in range(hoehe - 1, -1, -1):
            neue_zeile.append(form[y][x])
        neue_form.append(neue_zeile)
    return neue_form

Hinweise für die Unterrichtspraxis

Für die Gesamtsequenz bietet sich eine Aufteilung in mindestens zwei Unterrichtsphasen an, da Modellierung, Rotation und erweiterte Spiellogik jeweils eigenständige Schwerpunkte bilden.
Differenzierung ist über die Tiefe der Kollisionslogik, zusätzliche Formen oder eine verfeinerte Levelberechnung gut möglich.
Zur Ergebnissicherung eignet sich ein Vergleich der verwendeten Datenstrukturen und der daraus abgeleiteten Regeln für Bewegung, Rotation und Zeilenlöschung.
Als Erweiterung bieten sich weitere Tetromino-Varianten, ein Vorschausystem für den nächsten Stein oder zusätzliche Spielzustände an.
Inhaltlich lässt sich der Baustein gut an Themen wie zweidimensionale Datenstrukturen, Algorithmen zur Zustandsprüfung und ereignisgesteuerte Programmierung anschließen.

Dieser Baustein verbindet Matrixmodellierung, Rotation und Spiellogik zu einer schrittweisen und fachlich gut nachvollziehbaren Umsetzung.

Die klare Aufgabenstruktur unterstützt die Unterrichtsorganisation und erleichtert eine systematische Ergebnissicherung. Erweiterungsaufträge ermöglichen eine sachgerechte Differenzierung im weiteren Verlauf.

Fordern Sie einen Demo-Zugang an und erproben Sie den Baustein im eigenen Kurskontext.

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