Seminar. Lernen der Programmiersprache Java

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1 Seminar Lernen der Programmiersprache Java Didaktik der Informatik Sommersemester 2004 Tim Schweisgut, Mai 2004

2 Inhalt Inhalt... 2 Lernen einer Programmiersprache - Java... 3 Fachlicher Hintergrund... 3 Was ist Java?... 3 Wie funktioniert Java?... 3 Was benötigt man zum Programmieren mit Java?... 4 Die Geschichte von Java... 4 Unterrichtsbezug, Einordnung in den Lehrplan... 5 Objektorientierte Programmierung (OOP)... 5 Grundlagen der Programmierung in der 11 mit JavaKara... 7 Wie funktioniert JavaKara?... 7 Wie kann man JavaKara denn im Unterricht verwenden?... 8 Fazit: Anhang Quellen ausarbeitung_sem_did_inf.doc 2

3 Lernen einer Programmiersprache - Java Fachlicher Hintergrund Was ist Java? Java ist eine Programmiersprache, die zu der Klasse der objektorientierten Programmierung gehört. Die wohl bekannteste Komponente von Java sind die so genannten Java-Applets, die innerhalb eines Browsers ausgeführt werden. Dabei bekommt das Applet eine Ausgabefläche vom Browser zugewiesen und das Programm wird dann innerhalb dieses Panels ausgeführt. Dabei ist es dem Applet nur möglich auf die Dateien des Rechners zuzugreifen, von dem der Code des Applets geladen wurde. Mit Hilfe der Virtual Machine (VM) ist es möglich auch eigenständige Programme zu schreiben, die keinen Browser benötigen. Ein weiterer Vorteil von Java besteht darin, dass diese Programme nicht für jedes Betriebssystem erneut übersetzt werden müssen. Diesen eigenständigen Programmen kann man leicht eine moderne Windows-Oberfläche zuordnen. Es ist mit Java relativ einfach Threads (nebenläufige Aktivitäten) zu schreiben, oder zum Beispiel auf Datenbanken zuzugreifen oder Client-Server-Anwendungen zu schreiben. Wie funktioniert Java? Genauso wie bei jeder anderen Programmiersprache benötigt man auch bei Java eine Quelldatei, die den so genannten Quelltext enthält. Diese kann man mit jedem Editor erstellen. Meistens verwendet man hierzu aber eine IDE (Integrated Development Envirornment), denn hier hat man nicht nur einen Editor sondern auch einen Debugger und einen Kompiler zur Verfügung. Bei den klassischen Programmiersprachen wird dieser Quelltext vom Kompiler in ein maschinenlesbares Programm übersetzt, welches dann vom Prozessor direkt ausgeführt wird. Aus diesem Grund muss die Quelldatei für jedes Betriebssystem neu übersetzt werden, und meistens auch nochmals bearbeitet werden. Dann gibt es andere Programmiersprachen, wie zum Beispiel Basic (Interpretersprachen). Hier wird der Quelltext bei jeder Ausführung des Programms übersetzt. Dies hat natürlich den großen Nachteil, dass die Ausführungsgeschwindigkeit bei großen Programmen stark leidet, aber die Programme sind leicht zu verändern. ausarbeitung_sem_did_inf.doc 3

4 Dieses Problem wird bei Java anders gelöst. Der Kompiler erzeugt aus dem Quelltext den so genannten Bytecode. Dieser Bytecode wird von der Java Virtuell Machine (JVM) auf dem Rechner in Maschinenbefehle umgesetzt. Somit kann jeder Rechner, der die JVM installiert hat den Bytecode umwandeln und das Programm ausführen, unabhängig von dem Betriebssystem, und ohne das Programm nochmals kompilieren zu müssen. Die benötigten Java Virtuell Machines gibt es für alle gängigen OS (Windows, Unix, Linux, Solaris, MacOS, OS/2) und weitere. Sofern der Bytecode gewisse Sicherheitsbedingungen erfüllt (erlaubt keinen Zugriff auf lokal auf der Festplatte gespeicherten Dateien um die Verbreitung von Viren und das Ausspionieren zu verhindern) kann ein Browser diesen Bytecode ebenfalls in Maschinenbefehle umsetzen und ausführen. Was benötigt man zum Programmieren mit Java? Das SDK (Standard Development Kit) von Sun ist der Standardkompiler für Java. Man kann ihn kostenlos von der Sun-Homepage herunterladen. Allerdings beinhaltet er keine IDE, und es ist recht umständlich mit einem Editor, einem Kompiler und der klassischen DOS- Befehlsoberfläche zu programmieren. Deswegen haben diverse Firmen Entwicklungsumgebungen für Java entwickelt. Die Geschichte von Java Java wurde 1991 unter anderem von James Gosling im Green-Projekt in der Firma Sun entwickelt. Ursprünglich wollte man eine plattformunabhängige Programmiersprache entwickeln, die neben normalen Computern auch die in Haushalts- und Industriegeräten eingebauten Mikrochips (wie z.b. in Mikrowellen, Waschmaschinen, Autos, ) steuern kann. Hierfür verwendete man die Programmiersprache C++ als Basis. Die neue Sprache sollte aber einfacher zu handhaben sein. Eigentlich sollte Java Oak heißen, allerdings war der Name Oak wohl schon für eine andere Sprache reserviert, und so wählte man den (so heißt es zumindest) den Namen der Kaffeesorte Java, den das Entwicklerteam trank. Das Alpha-Release erschien im März Bis heute wird natürlich ständig noch weiterentwickelt, und Fehler werden ausgemerzt erschien dann die Version 1.1 des JDK (Java Development Kit), welches unter anderem die Geschwindigkeit des Java-Interpreters verdoppelte und u.a. den Datenbankzugriff ermöglichte durch das Hinzufügen von weiteren APIs (Abstract Programmer Interfaces (Klassenbibliotheken, die allg. zugängliche Obj. enth.). ausarbeitung_sem_did_inf.doc 4

5 Unterrichtsbezug, Einordnung in den Lehrplan In der heutigen Zeit kann man sich Informatik nicht mehr aus dem Lehrplan wegdenken. Das Schulfach leistet heutzutage einen eigenständigen Beitrag im mathematischnaturwissenschaftlichen Aufgabenfeld und ergänzt die für eine zeitgemäße Allgemeinbildung erforderliche Betrachtung der Welt um informatische Askepkte. In der heutigen Zeit benötigt man in fast allen Gebieten wie Wirtschaft, Wissenschaft und Technik aber auch in den Geistes- und Gesellschaftswissenschaften die Methoden und Werkzeuge der Informatik. Laut Lehrplan lernen die Schüler in der 11.2 die Grundlagen der Programmierung kennen. Auf diese Kenntnisse baut man dann in der 12.1 auf. Das Thema dieses Halbjahres ist die objektorientierte Modellierung in der ein relevanter Ausschnitt der realen Welt untersucht wird und unter Vernachlässigung der unwichtigen auf die bedeutsamen Merkmale reduziert wird. Dieser Abstraktionsprozess liefert Attribute, Methoden, Objekte und Klassen, welche in der Unified-Modeling-Language (UML) dargestellt werden. Diese Struktur soll dann mit einer Programmiersprache in ein lauffähiges Programm übersetzt werden und anschließend getestet und analysiert werden. Dies soll in verschiedenen Projekten erarbeitet werden (entweder alle zusammen, oder in kleinen Teams). Diese Projekte sollen, wenn möglich fachübergreifend sein, und die Dokumentation soll in Form von HTML-Dokumenten stattfinden. Die UML-Diagramme sollten wenn möglich mit Grafikbearbeitungssoftware erstellt werden und (im Falle von Java- Programmierung) zusammen mit den Applets gleich in die Dokumentation eingebunden werden. Die fertigen Projekte werden dann im Plenum vorgestellt. Objektorientierte Programmierung (OOP) Java ist eine objektorientierte Programmiersprache. Die objektorientierte Programmierung hat gegenüber dem klassischen Ansatz einige Vorteile: Schutz der Daten: In der OOP werden die Methoden und Daten zusammen als ein Objekt angesehen, und die Methoden bewachen die zugehörigen Daten und verhindern so unbefugten Zugriff. Verständlichkeit Modellierung realer Objekte: Der Ansatz der Objektorientierung basiert darauf, Objekte der realen Welt mit Hilfe softwaretechnischer Mittel abzubilden. Hier ausarbeitung_sem_did_inf.doc 5

6 definiert man sich Datentypen selbst (z.b.: Schüler, Schule, Kunde, Firma, Vertrag, etc.). Diese werden in der Form von Klassen eingeführt. Ein Objekt entspricht dann Beispiel für ein Objekt: diesem Gegenstand, Wesen oder abstrakten Konzept (etc.) aus der realen rechteck Welt. Objekte werden in zwei Attribute: Bestandteile unterteilt, Datenelemente x 10 und die dazugehörigen Funktionen y 10 (Methoden). Inhalte von width 10 height 10 Datenelementen repräsentieren den Zustand, in dem ein Objekt sich gerade befindet. Funktionen sind Operationen, Methoden: draw() andere Objekte scale( ) die ein Datenobjekt von einem Zustand move( ) in einen anderen versetzen. Die Gesamtheit von Objekten mit gleichen Eigenschaften wird als Klasse bezeichnet. Objektorientiertes Programmieren ist die Zusammenstellung von Klassenbeschreibungen, d.h. die Beschreibung der Datenelemente, die jedes Objekt der Klasse enthält, sowie der Funktionen, die auf jedes Objekt der Klasse anwendbar sind. Übersicht bei großen Systemen: In der OOP werden Klassen und Pakete als größere Einheiten eingeführt. Klassen enthalten Methoden und Datenfelder. Pakete enthalten wiederum Klassen die inhaltlich zusammengehören. So erhält man eine übersichtliche Verschachtelung. Wiederverwendbarkeit von Quellcode: In Java hat man die Möglichkeit Quellcode zu vererben. Das heißt, dass eine Klasse, die von einer anderen Klasse abgeleitet wird automatisch alle Datenfelder und Methoden der Vaterklasse erbt und diese verwendet, ohne dass man diese nochmals im Quellcode aufführen muss. Ein weiterer Vorteil von Java gegenüber z.b. Turbo Pascal ist, dass man Programme mit grafikorientierter Benutzeroberfläche programmieren kann. Dies motiviert und reizt die Schüler mehr, als DOS-Programme zu schreiben, da dies sie mehr an das bekannte und vorherrschende Bild von Windows erinnert. Man muss natürlich bei der objektorientierten Programmierung komplexer Probleme ein hohes Maß an Abstraktion aufbringen können, jedoch gibt es auch eine Vielzahl einfacher Beispiele, die die Schüler langsam in das Thema einführen können. ausarbeitung_sem_did_inf.doc 6

7 Grundlagen der Programmierung in der 11 mit JavaKara Auf meiner Suche nach Anregungen, wie man den Schülern in einer Jahrgangsstufe 11 die Grundlagen der Programmierung näher bringen kann bin ich auf JavaKara gestoßen. JavaKara wurde an der ETH Zürich entwickelt ( Kara ist ein programmierbarer Marienkäfer, welcher mit Java programmiert werden kann, und bietet somit einen spielerischen Einstieg in die Java-Programmierung, aber auch in die Grundlagen der Programmierung. Mit Hilfe von JavaKara kann man alle wichtigen Grundlagen (Schleifen, Rekursion, ) den Schülern leicht verdeutlichen und erklären. Aus diesem Grund eignet sich meiner Meinung nach JavaKara perfekt als Einstieg in die Grundlagen der Programmierung, und kann somit gut in der 11 verwendet werden. JavaKara hat sogar den European Academic Software Award 2002 gewonnen. JavaKara kann kostenlos bei der ETH Zürich, zusammen mit möglichen Unterrichtsmaterialien heruntergeladen werden, und man muss sich nicht um Lizenzen oder dergleichen kümmern, da man zum Programmieren lediglich das kostenlos verfügbare JDK von Sun benötigt und die Datei allkara.jar, die es bei der ETH Zürich gibt. Wie funktioniert JavaKara? Links habe ich mal einen Screenshot von JavaKara abgebildet. Man sieht in der Mitte Kara s World. Mit Hilfe der Leiste rechts kann man Die Welt in der Mitte gestalten (Bäume pflanzen usw.). Die Leiste links ist für die Ausgangsposition von Kara zuständig. Oben links kann man die Java-Klasse laden, die man geschrieben hat, und die zu testen ist. Oben in der Mitte ist es möglich Kara s Welt abzuspeichern. Unten kann man die Geschwindigkeit einstellen mit der das Programm laufen soll, und man kann das Programm starten und anhalten. ausarbeitung_sem_did_inf.doc 7

8 Wie kann man JavaKara denn im Unterricht verwenden? JavaKara funktioniert also so, dass die Schüler eine Java-Klasse schreiben müssen, in der steht, wie sich Kara in Kara s Welt verhalten soll (bis zu einem Baum gehen, Blätter aufsammeln, ). Diese geschriebene Klasse wird dann in dem Programm JavaKara geladen, und die Schüler können sich anschauen, ob das Programm (ihre geschriebenen Klasse) funktioniert. Zuerst muss man den Schülern natürlich den Aufbau des Programms kurz erläutern, bevor man dann aber auch schon relativ schnell an ein erstes Beispiel gehen kann. Dies kann z.b. mit einem Arbeitsblatt realisiert werden. Das Arbeitsblatt sollte eine grundlegende Anleitung zur Arbeit mit JavaKara geben. Es sollte also ein Beispiel für das erste einfache Programm sein, sowie die Befehle, die man benötigt, um Kara zu steuern als auch eine grobe Erläuterung zum Programmaufbau und zur Benutzung der Programmierumgebung. Im Anhang auf Seite 12 habe ich ein mögliches erstes Arbeitsblatt einmal vorbereitet. In den folgenden Unterrichtsstunden bietet sich dann an, mit Arbeitsblättern dieser Art zu arbeiten. Wenn man zum Beispiel die Thematik der Rekursion mit den Schülern erarbeiten will, sollte man zuerst das Prinzip der Rekursion erklären, und danach vielleicht zusammen mit den Schülern eine einfache Aufgabe durchsprechen (z.b.: Kara soll solange laufen, bis sie vor einem Baum steht (allerdings ohne Schleife)). Anschließend kann man den Schülern dann zur Vertiefung und Festigung weitere Aufgaben (fast beliebigen Schwierigkeitsgrades) stellen. Auf diese Weise kann man die guten Schüler weiterhin fördern, und die Schüler die Schwierigkeiten haben weiter unterstützen. Auch eine Gruppenarbeit ist hier bei kniffligen Aufgaben möglich. Da JavaKara Freeware ist, kann man auch leicht eine Aufgabe als Hausaufgabe aufgeben. ausarbeitung_sem_did_inf.doc 8

9 Für eine etwas kniffligere Rekursionsaufgabe könnte man dann zum Beispiel folgende nehmen: Kara befindet sich in einem Labyrinth aus Bäumen, welches nur einen Ausgang hat, der durch ein Blatt gekennzeichnet ist. Jeder Baum ist durch andere Bäume mit dem Rand verbunden. Hilf Kara, ohne Schleifen aus dem Labyrinth. Eine mögliche Lösung: ausarbeitung_sem_did_inf.doc 9

10 Fazit: Mit JavaKara kann man den Schüler durch ein einfaches spielerisches Programm die wichtigen Grundlagen der Programmierung, insbesondere der Java-Programmierung näher bringen. Diese Grundlagen müssen dann in der Jahrgangsstufe 12 dann natürlich erweitert werden, und ich denke, dass sich dann auch in der 12 Java als objektorientierte Programmiersprache anbietet, da man mit Java (wie schon oben erwähnt) leicht grafikorientierte Benutzeroberflächen programmieren kann. Die Ausnahmebehandlung von Java funktioniert auch sehr gut und ist es wert, sie mit den Schülern zu besprechen. Ich habe in meiner Schulzeit nur gelernt, wie ich z.b. einen Taschenrechner programmiere, der aber gleich abgestürzt ist, sobald man nicht 7 9 sondern 7,w3 gerechnet hat. Java bietet die Möglichkeit solche Fehler bei z.b. der Eingabe des Benutzers abzufangen und unter Umständen den Benutzer darüber zu informieren, was er falsch gemacht hat. Dies sind alles Dinge, die die selbst geschriebenen Programme professioneller machen, und die Schüler somit leichter motiviert. ausarbeitung_sem_did_inf.doc 10

11 Anhang Quellen Dr. Claudia Leopold, Informatik III Skript, WS 03/04 JLU Joachim Goll, Java als erste Programmiersprache, Teubner Verlag ausarbeitung_sem_did_inf.doc 11

12 Informatik 11: Einführung in Programmierung mit JavaKara Das erste Programm Aufgabe: Kara steht vor einem Blatt, welches vor einem Baum liegt. Kara soll auf das Blatt gehen, es aufnehmen, um den Baum herumgehen, sich wieder in Ausgangsrichtung drehen, das Blatt ablegen, einen Schritt nach vorne machen und sich umdrehen. Dies ist also das erste Programm. Gehe dazu wie folgt vor: 1. Editieren: starte die Programmierumgebung und gib in eine neue Datei folgenden Text ein: public class Erstes extends JavaKaraProgram {// Anfang von Erstes public void myprogram() { // Anfang von myprogram kara.move(); kara.removeleaf(); kara.turnleft(); kara.move(); kara.turnright(); kara.move(); kara.move(); kara.turnright(); kara.move(); kara.turnleft(); kara.putleaf(); kara.move(); kara.turnleft(); kara.turnleft(); } // Ende von myprogram } // Ende von Erstes 2. Speichere den Text unter dem Namen Erstes.java 3. Kompilieren: Drücke auf den Compiler-Button. Der Kompiler überprüft nun, ob du ein lauffähiges Programm geschrieben hast und erzeugt die Datei Erstes.class 4. Testen: Öffne JavaKara, und lade die Datei Erstes.class. Baue dir eine Welt, so wie in der Aufgabe beschrieben, und lasse das Programm laufen. Erläuterungen: Kara kann Kommandos verstehen: kara.move() kara.turnleft() kara.turnright() kara.putleaf() kara.removeleaf() Kara hat verschiedene Sensoren: kara.treefront() kara.treeleft() kara.treeright() kara.mushroomfront() kara.onleaf() Nach // wird der Rest der Zeile als Kommentar behandelt. Längere Kommentare über mehrere Zeilen schließt man mit /* und */ ein. Kommentare sind dazu da, das Programm übersichtlich zugestalten, damit man auch noch nach einem Monat weiß, was man programmiert hat. Erstes ist der Name der Klasse und muss dementsprechend auch als Dateiname für Erstes.java benutzt werden. Dieser Name kann sich natürlich bei anderen Programmen bzw. Klassen ändern. Hinter jedem Kommando (Aufruf einer Methode) muss ein Semikolon stehen. Das eigene Programm muss immer myprogram() heißen. Das ist von Javakara so vorgegeben. Groß- und Kleinschreibung muss in Java-Programmen streng beachtet werden! kara.move() funktioniert nicht. ausarbeitung_sem_did_inf.doc 12