Fachliche und didaktische Umsetzung des Lernbereichs "Informationen verarbeiten: Modell Algorithmus Lösung"

Transkript

1 Fortbildung: Programmieren in der Mittelschule Fachliche und didaktische Umsetzung des Lernbereichs "Informationen verarbeiten: Modell Algorithmus Lösung"

2 Planung

3 Lehrplan Mittelschule: Kennen grundlegender Programmstrukturen Begriff: Algorithmus (Endlichkeit, Eindeutigkeit, Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit) Programmstrukturen: [Anweisung,] Folge, Wiederholung, Verzweigung Eine Darstellungsform Beherrschen der Umsetzung des Modells an einfachen Beispielen Einblick gewinnen in den Problemlöseprozess Übertragen der Kenntnisse zum Problemlöseprozess auf selbstständiges Lösen einfacher Probleme kritische Bewertung der Resultate

4 Begriffe laut Lehrplan Algorithmus Programm Programmstrukturen Folge Wiederholung Verzweigung Darstellung der Programmstrukturen Problemlöseprozess

5 Warum Programmieren? Programmieren vermittelt langlebige Grundverständnisse für Abläufe im Computer Wesentliche informatische Prinzipien werden durch Programmierung vermittelt Ein Einblick in Grundlagen der Programmierung ist damit Teil der modernen Allgemeinbildung

6 Programmieren? Programmieren heißt: Probleme lösen! Problemanalyse Wer soll was wie machen? Lösungsentwurf Umsetzung Lösungsideen sammeln und in Abläufen denken streng logisch denken Test Lösung ausprobieren Dokumentation exakte Beschreibung, Kritik und Korrektur

7 Fachliche Ziele des Programmierens Was heißt Programmieren? Was ist ein Programm? schriftlicher Lösungsentwurf zuerst dynamische Abläufe vorwegnehmen, auf alle möglichen Situationen gefasst sein algorithmisches Denken: Gedanken zu einer Folge von Schritten ordnen algorithmische Grundstrukturen wie Verzweigungen und Wiederholungen einsetzen keine Widersprüche, genauso wenig Zweideutigkeiten Beschreibung eines zeitlichen Ablaufs läuft ohne Eingriffe seines Autors ab reagiert auf externe Ereigniss statische Beschreibung eines dynamischen Ablaufs interagiert während der Laufzeit mit seiner Umwelt Programme müssen logisch korrekt sein

8 Wie in der Mittelschule Programmieren? class HelloWorldApp { public static void main(string[] args) { System.out.println("Hello World!"); } } Komplexität reduzieren Komplexität verstecken Visualisierung Kleiner Sprachumfang Einfache Programmierumgebung Verständliche und fassbare Aufgabenstellungen

9 Auswahl Programmierumgebungen Programmierparadigma unwesentlich Wichtig: nur eine Umgebung verwenden Mögliche Umgebungen sind: Kara der programmierbare Marienkäfer Karol der Roboter Logo (Igelgrafik) Hamster Mediator Tabellenkalkulation (?) Regeln und Steuern (Cosy, Opitec, Fischer, Lego, )

10 Eine didaktische Abfolge des Unterrichts Von der Beschreibung von Abläufen zum Algorithmusbegriff Übertragen des Algorithmusbegriffs Einführung in die Programmierumgebung Programmgrundstrukturen Schritte des Problemlöseprozesses Anwenden des Problemlöseprozesses

11 Einstieg finden Abholen des Schülers in seiner Erfahrungswelt Beschreiben von Abläufen Bauanleitung (Verbindung zu T/C) Kochrezept (Verbindung zu WTH) SMS schreiben Videorekorder programmieren Zimmer aufräumen Aufgabe V1

12 Algorithmus Ein Algorithmus ist eine eindeutige und ausführbare Verarbeitungsvorschrift oder Handlungsfolge, die angibt, wie von einem Ausgangszustand ausgehend schrittweise ein Endzustand erreicht wird. Ein Algorithmus besitzt immer folgende Eigenschaften: Er löst stets eine Menge von gleichartigen Problemen. (Ausführbarkeit, Allgemeingültigkeit) Er liefert für gleiche Eingabewerte immer das gleiche Endergebnis. (Wiederholbarkeit) Der nächste Schritt ist immer eindeutig festgelegt. (Eindeutigkeit) Er besteht aus einer endlichen Anzahl von Anweisungen und kommt immer zu einem Schluss (Endlichkeit)

13 Motivation und Einführung Stelle dir vor, du hättest einen Roboter, der dein Kinderzimmer für dich aufräumt. Wir nutzen eine Umgebung, mit der wir das Aufräumen des Zimmers am Computer simulieren. Aufgabe V2

14 Verzweigung Weiter mit Kara Weiter mit Karol

15 Erkunden der Umgebung Anwenden des Klassen Objekt Modells au die Programmierumgebung Die Klasse Welt Karas_welt -breite: -hoehe: -dateiname: *.world + neue_welt() + groesse_aendern() + ansicht_zoom() + welt_wiederherstellen() Aufgabe V2

16 Beschreibung weiterer Klassen Stelle folgende Klassen der Progammierumgebung dar: Klassen von Kara Baumstumpf Bild Pilz Kleeblatt Kara

17 EINE Lösung: Kara In der Welt von Kara gibt es: Unbewegliche Baumstümpfe Pilze, die Kara verschieben kann Kleeblätter, die Kara aufsammeln und ablegen kann Und KARA [Beschreibung als Klassen, Objekte und Methoden in Handreichung 7/8]

18 Kara, der Marienkäfer hat Methoden, mit denen er seine Umwelt wahrnimmt: stehe ich vor einem Baumstumpf? ist links von mir ein Baumstumpf? ist rechts von mir ein Baumstumpf? stehe ich vor einem Pilz? stehe ich auf einem Kleeblatt?... hat einige Methoden, die ihn aktiv werden lassen: mache einen Schritt vorwärts! drehe um 90 nach links! drehe um 90 nach rechts! lege ein Kleeblatt hin! nimm ein Kleeblatt auf!

19 1. Aufgabe Kara steht auf einer Wiese vor einem Wald. Er soll bis zum ersten Baum laufen und stehen bleiben.. Beschreibe in Worten, was Kara machen soll. Kara geht 5 Schritte und hält an

20 1. Aufgabe: Umsetzung und Darstellung 2. Baue die Welt und steuere Kara direkt. Schreibe die Reihenfolge der Befehle auf. 3. Starte den Programmiermodus, erzeuge neuen Zustand laufe und gib die Befehle ein bis Stop Darstellung der Folge Zustandsdiagramm Struktogramm 4. Teste dein Programm.

21 Aufgabe 1: Kritik 5. Was passiert, wenn Kara NICHT 5 Felder vor einem Baum steht? Wir brauchen eine neue Lösungsidee!

22 Aufgabe 1: Lösungsidee Mache Schritte bis Baum vor dir Wenn kein Baum vor dir dann mache Schritt Wiederhole solange kein Baum vor dir: mache Schritt

23 Aufgabe 1: Umsetzung Darstellung der Wiederholung Zustandsdiagramm Struktogramm

24 Aufgabe 2: Sammler Kara steht auf einer Wiese und läuft gerade bis zum Wald (Aufgabe 1). Wenn er unterwegs ein Kleeblatt findet, soll er es aufheben.. Beschreibe die Befehlsfolge eines ganzen Ablaufs!. Erzeuge einen Zustand Sammle. Welchen Sensor benötigt Kara in diesem Zustand zusätzlich?. Beschreibe den Zustand Sammle mit folgendem Wortgerüst: Wenn Kleeblatt unten, dann..., sonst...

25 Sammler: Verzweigung Darstellung der Verzweigung Zustandsdiagramm Start JA Aufheben Struktogramm Kleeblatt unten? NEIN Wiederhole bis Baum vorne Kleeblatt unten? JA NEIN Aufheben Schritt Stop

26 Aufgabe 3: Überholen / Ausweichen Problemanalyse Kara soll immer gerade aus laufen. Ist ein Baum im Weg, soll er ihn links umgehen und danach seinen alten Weg fortsetzen. Verwende folgende Welt als Startzustand: Nun ändere die Welt wie folgt: Beschreibe, was beim Ablauf deines Programms passiert.

27 Aufgabe 3: Lösungsentwurf Welche möglichen Situationen können in der geänderten Welt auftreten? Steuere Kara mit der Hand und beschreibe, was beim Ausweichen vor zwei Bäumen anders ist. Welchen Sensor benötigt Kara zusätzlich? Wenn Kara beim Ausweichen ist, muss er nach rechts schauen, ob ein Baum neben ihm ist.

28 Aufgabe 3: Umsetzung und Test Welche Sensormeldung ist für welchen Zustandsübergang verantwortlich? Zeichne Pfeile ein!

29 Aufgabe 3: Dokumentation Erstelle zu der Lösung des Problems eine Dokumentation mit folgendem Inhalt: Aufgabenstellung Beschreibung der Lösung (Struktogramm oder Beschreibung des Algorithmus) Nennung des Werkzeugs zur Umsetzung (Programm und Dateinamen) Nennung von Grenzen der Lösung und eventuellen Anfangsbedingungen

30 weitere Probleme: Speicherwächter Kara hat sich einen Vorrat an Kleeblättern gesammelt und diese mit einer Mauer aus Bäumen umgeben. Damit kein Dieb einbricht, bewacht er seinen Speicher indem er immer an der Baumwand entlang um ihn herum geht.

31 weitere Probleme: Labyrinth Labyrinth: Kara soll von jedem Startpunkt aus den Ausgang (Kleeblatt) des Labyrinths finden, indem er immer an einer Wand entlang läuft. Vertiefung: Finde ein Labyrinth, in dem der Lösungsalgorithmus nicht funktioniert.

32 weitere Probleme: Muster invertieren Muster: Kara soll von unten links oder oben rechts alle Felder der Welt ablaufen. Liegt auf einem Feld ein Kleeblatt, soll Kara es aufheben, liegt kein Kleeblatt, soll Kara eins hinlegen. Hinweis: unterscheide zwei Zustände (Kara läuft nach links, Kara läuft nach rechts)

33 Muster: Kara soll von unten links oder oben rechts alle Felder der Welt ablaufen. Liegt auf einem Feld ein Kleeblatt, soll Kara es aufheben, liegt kein Kleeblatt, soll Kara eins hinlegen. Hinweis: unterscheide zwei Zustände (Kara läuft nach links, Kara läuft nach rechts)

34 weiteres Problem: Pilze sammeln Kara möchte alle Pilze auf dem Spielfeld sammeln und an den linken Rand schieben. Das Spielfeld ist von Kleeblättern umrandet. Kara startet in der linken oberen Ecke (rechts vom Kleeblatt) und schaut nach rechts. Er arbeitet das Spielfeld von links nach rechts zeilenweise ab. In der rechten unteren Ecke befindet sich ein Baum. Dort beendet Kara die Pilzsuche. (Lösung siehe Kara- Download)

35 Wahlpflichtbereich: Codieren Ziel: Einblick gewinnen in das maschinelle Codieren von Texten mithilfe von Algorithmen Kara lernt Morsen mehr in Handreichung und unter

36 Erkunden der Umgebung Anwenden des Klassen Objekt Modells au die Programmierumgebung Die Klasse Welt Karols_welt -breite: -laenge: -hoehe: -dateiname: *.kdw Aufgabe V2 + neue_welt() + welt_loeschen() + welt_wiederherstellen()

37 Beschreibung weiterer Klassen Stelle folgende Klassen der Progammierumgebung dar: Klassen von Karol Bild Quader Ziegel Marke Karol

38 EINE Lösung: Karol In der Welt von Karol gibt es: Unbewegliche Quader Ziegel, die Karol vor sich ablegen und aufsammeln kann Marken, die Karol aufsammeln und ablegen kann Und KAROL [Beschreibung als Klassen, Objekt und Methoden in Handreichung 7/8]

39 Karol, der Roboter hat Methoden, mit denen er seine Umwelt wahrnimmt: Stehe ich vor einer Wand? Stehe ich vor einem Ziegel? Stehe ich auf einer Marke? Ist mein Rucksack voll oder leer? Wieviel Ziegel habe ich im Rucksack? (alle Methoden mit Nicht kombinierbar)... hat einige Methoden, die ihn aktiv werden lassen: Mache einen Schritt vorwärts! Drehe dich um 90 nach links! Drehe dich um 90 nach rechts! Setze/Lösche eine Marke! Lege einen Ziegel ab! Hebe einen Ziegel auf! Stelle Quader auf! Entferne einen Quader!

40 1. Aufgabe Karol steht auf dem Hof vor einer Mauer. Er soll bis zur Mauer laufen und davor stehen bleiben.. Beschreibe in Worten, was Karol machen soll. Karol geht 5 Schritte und hält an

41 1. Aufgabe: Umsetzung und Darstellung 2. Baue die Welt und steuere Karol direkt. Schreibe die Reihenfolge der Befehle auf. 3. Starte den Programmiermodus, schreibe ein Programm und gib den Befehl Schritt 5 mal ein. Darstellung der Folge Struktogramm 4. Teste dein Programm.

42 Aufgabe 1: Kritik 5. Was passiert, wenn Karol NICHT 5 Felder vor der Wand steht? Wir brauchen eine neue Lösungsidee!

43 Aufgabe 1: Lösungsidee Mache Schritte bis Ziegel vor dir Wenn kein Ziegel vor dir dann mache Schritt Wiederhole solange kein Ziegel vor dir: mache Schritt

44 Aufgabe 1: Umsetzung Darstellung der Wiederholung Struktogramm

45 Aufgabe 2: Sammler Karol steht auf dem Hof und läuft gerade bis zur Wand (Aufgabe 1). Wenn er unterwegs eine Marke findet, soll er sie aufheben.. Beschreibe die Befehlsfolge eines ganzen Ablaufs!. Schreibe ein Programm wie in Aufgabe 1? Welche Methode muss Karol bei jedem Feld zusätzlich anwenden?. Beschreibe die Anwendung der Methode ist_marke_unten() mit folgendem Wortgerüst: Wenn Marke unten, dann..., sonst...

46 Sammler: Verzweigung Darstellung der Verzweigung Programmcode Struktogramm

47 Problemlösen: Speicherwächter Karol hat einen Goldschatz gesammelt und ihn mit einer Ziegelmauer geschützt. Damit keiner über die Mauer klettert, läuft Karel als Wächter immer an der Ziegelwand entlang. Er startet dabei immer neben oder nach einem Ziegel und umrundet seinen Speicher in Uhrzeigerrichtung.

48 Speicherwächter: Problemanalyse Welche Zustände können für Karol eintreten und wie soll Karol darauf reagieren? Wenn sich rechts ein Hindernis befindet und der Weg frei ist: dann geht Karol weiter Wenn rechts kein Hindernis ist: dann dreht Karol sich nach rechts und geht weiter Wenn sich rechts ein Hindernis befindet und der Weg versperrt ist: dann dreht sich Karol nach links

49 Speicherwächter: Lösungsentwurf Karol muss auf seinem Weg stets zwei Bedingungen prüfen: Ist rechts ein Ziegel? Ist vor mir ein Ziegel? Algorithmus in Umgangssprache: Wenn erste Bedingung wahr ist muss noch die zweite Bedingung geprüft werden Wenn zweite Bedingung wahr ist dann dreht sich Karol nach links, sonst geht er einen Schritt vorwärts Wenn erste Bedingung falsch ist, dreht sich Karol nach rechts und geht vorwärts Beide bedingte Anweisungen laufen in einer

50 Speicherwächter: Umsetzung

51 Speicherwächter: Test Lade das Programm speicherwächter in Karol und teste die Funktion bei verschiedenen Startzuständen (entlang des Speichers) von Karol Was passiert, wenn Karol im freien Raum startet? Wie könnte man dieses Problem lösen?

52 Speicherwächter: Dokumentation Erstelle zu der Lösung des Problems eine Dokumentation mit folgendem Inhalt: Aufgabenstellung Beschreibung der Lösung (Struktogramm oder Beschreibung des Algorithmus) Nennung des Werkzeugs zur Umsetzung (Programm und Dateinamen) Nennung von Grenzen der Lösung und eventuellen Anfangsbedingungen

53 Problem: Traglast Gegeben ist die Welt und das Programm traglast. Karols Attribut tragen_max beträgt 5 Ziegel. Beschreibe, was beim Ablauf des Programms passiert.

54 Weitere Aufgaben zu Karol Karol verfolgt eine Spur. Karol baut eine Treppe. Karol legt Schachbrettmuster. Karol dreht Muster in seiner Welt um. Karol schreibt seinen Namen. Karol vergleicht zwei Stapel Ziegel.

55 Kontrollen Kara: s/karatest/kara.htm Karol: s/karoltest/karol.htm

56 Quellen Reichert, Nievergelt, Hartmann; Programmieren mit Kara; Springer 2004 (ISBN ) Brändle, Hartmann, Nievergelt, Reichert, Schlatter; ETH Zürich; Freiberger, Robot Karol, München 2003; Frey, Hubwieser, Winhard; Informatik 1: Objekte Strukturen Algorithmen, Klett 2004 (ISBN ) Brichzin, Freiberger, Reinold, Wiedemann; Ikarus Natur und Technik Schwerpunkt Informatik 6/7, Oldenbourg 2004 (ISBN ) Engelmann; Informatische Grundbildung 2, Paetec 2004 (ISBN ) Timmermann, Neupert; Weshalb braucht man eigentlich Programmierung?, Dresden 2002; Ulrich Göppert; Einführung in algorithmische Grundstrukturen; Staatsexamenarbeit, Karlsruhe 2002 Download: