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1 "ObjektorientiertesProgrammieren\ EntwurfeinerUnterrichtseinheit vorgelegtvondanieljonietz UniversitatKaiserslautern FachbereichInformatik Mai1999

2 ObjektorientierteProgrammierung Inhaltsverzeichnis 1 2FachlicheKlarung 1Einleitung desunterrichtsgegenstandes 2 2.1DieIdeedesObjekt-Paradigmas EinordnungdesObjekt-Paradigmas Terminologie Begriichkeiten DidaktischeAnalyse 2.5Programmiersprachen BegrundungdesUnterrichtsvorhabens AuswahlundStrukturierungderInhalteundZielemitBegrundung IntentionderUnterrichtsreihe BedeutungdesThemasimInformatikunterricht BegrundungdesThemasausdemLehrplan Fachspezisch-allgemeineLernziele VoraussetzungenundVorkenntnisse HierarchiederObjekt-Konzepte ZurFragederProgrammiersprache AuswahlderLernzieleunddidaktischeReduktion Lernkontexte OrdnungderLernzielenachKriteriengrob/fein MethodischeAnalyse 3.6Lehrbuch BesondereSchwierigkeiten LernmethodischeAspekte UnterrichtsmethodischeAspekte Unterrichtsplanung(Skizze) 5.1Unterrichtsplanung Unterrichtsplanungdetailliert: SchritteundPhasen...32 AObjekthierarchie BObjekthierarchie:Aufrufvonmove 38 CQuelltexte DArbeitsblatter 42

3 ObjektorientierteProgrammierung 1 Einleitung 2 IndieserAusarbeitungsolleineUnterrichtseinheitzurObjektorientierten Programmierungvorgestelltwerden.DabeigeheichvoneinigenBedingungenaus,dieineinemkonkretenKursu.U.sonichtvorliegen;Gegebenenfalls Vor-KursnotigeKenntnissevermitteltwerden.WoauchimmerAnderungen mussenanpassungenhinsichtlichdesvorwissensderschulergemachtwerden,indementsprechendeanderungenvorgenommenwerdenoderineinem der12.jahrgangsstufestufeausgehen,derseinenunterrichtgemadem werdeichkurzdiealternativennennenundsomitzuganglichmachen. oderanpassungenohnegroeumstellungderunterrichtsreihemoglichsind, rheinland-pfalzischenlehrplan[lehrplan93]absolvierthatunddementsprechendbereitsubervorwissenundeinigeerfahrungbezuglichdergenerellen IchmochteimFolgendenvoneinemktivengymnasialenGrundkurs VorgehensweisebeizulosendenProblemenverfugt.Weitereinschrankend habedieserkursspeziellinturbo-pascaleinerhinreichendhohenversions- vonpunkten,linienundkreisen)kennengelernt. SchulerbereitselementareGrak-BefehlevonPascal(wiez.B.dasZeichnen nummergearbeitetundseiinderlage,abstraktedatentypenzuentwer- fenundmitihnenumzugehen.daruberhinaushabendieschulerinnenund deohneunterrichtsausfallaus,sodaspezischezeitlichegegebenheiten nichtberucksichtigtwerdenmussen.dieraumlicheundtechnischeausstattungseiideal. FernergeheichvonwochentlicheinerDoppelstundeundeinerEinzelstun-

4 ObjektorientierteProgrammierung 2 FachlicheKlarung 3 2.1desUnterrichtsgegenstandes nitionderdatenstrukturenundderdaraufausgefuhrtenoperationenvon- BeiderkonventionellenablauforientiertenProgrammierungerfolgtdieDe- DieIdeedesObjekt-Paradigmas DatenzugriemitdemWissenumdieDatenstrukturprogrammiertwerden. einanderweitgehendunabhangig.daswissenumdiebedeutungundzusam- menhangederdatenistdezentralimganzenprogrammverteilt,indemdie forderlich. DagegenerfolgtbeiderObjektorientiertenProgrammierungdieBeschreibungvonDatenzusammenmitdaraufauszufuhrendenAktionenineiner Miniwelt(auch)alsGesamtheitvon"Objekten\(Gegenstanden,Ereignissen) Einheit,spatersindKenntnisseumdieDatenreprasentationnichtmehrer- auassen,die UmeinenAusschnittderrealenWeltzumodellieren,latsicheinesolche untereinanderinbeziehungenstehen, beobachtetwerdenkonnen, sichimverlaufderzeitandernundgegenseitigbeeinussen, ren,ihrebeziehungenuntereinanderzucharakterisierenundihreeigenschaf- aufeinwirkungenvonaueninspezischerweisereagieren. tenundverhaltensweisenzubeschreiben.daruberhinauswirddenkompo- nentenselbstandigkeitzuerkannt,sodadiebeiablauforientiertenprogram- DasObjekt-ParadigmaversuchtdieauftretendenObjektezuklassizienerKomponentensowieihrerKommunikationsmoglichkeitenbeschranken. DiesenSachverhaltbeschreibenCrutzen&Heinwiefolgt: tenstrukturergibt.programmierungkannsichaufdiebeschreibungeinzel- mennotwendigeablaufsteuerungsichquasi"vonselbst\ausderkomponen- "JedesObjektderRealitat,dasInformationenaufnimmt,speichert,verarbeitetundabgibt,kannmanalsInformationsobjekt beschreiben.objektederrealitatkonnenuntereinanderagieren, miteinobjektderrealitat,dasman...wiederumalsinformati- onsobjektbeschreibenkann.\1 formationsobjektenbeschreiben.eininformationssystemistdie RealisierungeinerAnzahlvonInformationsobjekten undda- dieseinteraktionenkannmanalskommunikationzwischenin- 1[Crutzen&Hein95],S.150

5 ObjektorientierteProgrammierung DurchdieAufspaltungkomplexerSystemeinsolchekleinen,insichgeschlossenenKomponenten(Objekte)erschlieensichmehrereVorteile: 4 derprogrammieraufwandlatsichdurchwiederverwendungdergemeinsamkeitenahnlicherkomponentensenken klarverstandlichangeben, DieSchnittstellenzwischendenKomponentenlassensicheinfachund undschlielichwerdenvieleprogrammierfehlerdurchdieabgeschlossenheiteinzelnerkomponentenunddiedarausresultierendeeinge- Programmierstilenklassizieren,dieseordnetmanzweiKategorienzu: ProgrammiersprachenlassensichdurchcharakteristischeMerkmalenachdrei EinordnungdesObjekt-Paradigmas 2.2schrankteSichtdesProgrammierersvermieden. prozedural deklarativ imperativ funktional Objektorientiert pradikativ tiertekonzeptemitallenanderenstilenkombiniertwerdenkonnen.objekt- orientierteprogrammierungkanneheralserweiterungderstrukturierten ProgrammierungdennalseigenerProgrammierstilaufgefatwerden.2 AlsvierterStilwirdoftObjektorientiertgenannt,obwohlObjektorien- 2[Schwill93],S.10f

6 ObjektorientierteProgrammierung 2.3 Terminologie3 5 Objekte WieobenbeschriebenlatsicheineMiniweltalsMengeunabhangiger, stemsreprasentierteinenbeliebigengegenstandodersachverhaltder RealitatundbesitzterfabareEigenschaften,dieAttributegenannt werden.alleattributezusammenspiegelndenzustandderkomponentewieder.elementarekomponentenheienobjekte. kooperierenderkomponentenbeschreiben.jedekomponentedessy- NachrichtenundDienste AusProgrammierer-SichtisteinObjektdieZusammenfassungvonDatenundOperationenzueinerEinheit. DieDynamikdesSystemswirddurchdenAustauschvonNachrichten(Botschaften)zwischendeneinzelnenKomponentengewahrleistet. EineNachrichtkanndazufuhren,dadiebenachrichtigteKomponente ihrenzustandandertodereinendienstausfuhrt.diehandlungsvorschriftzurdurchfuhrungdesdienstesheitmethodeundentspricht Klassen einerprozedurderablauforientiertenprogrammierung. buteunddiensteentsprechenderobjektedargestellt.gibtesmehrere ObjektemitgleichenMerkmalenundgleichemVerhalten,sogehoren MerkmaleundVerhaltenvonKomponentenwerdendurchdieAttrisediezugrundeliegendeIdee,dieKonzeptioneinerArtvonObjekten anundkannalsvorlage(template)betrachtetwerden,nachderihre Objekteaufgebautwerden.JedeseinzelneObjekteinerKlasseistein dieseobjektezurgleichenklassevonobjekten.dabeigibtdieklas- Exemplar(eineInstanz)derKlasse.DieBildungeinesExemplarseinerKlassewirdmitInstantiierungbezeichnetundkennzeichneteine Kapselung HerkommlicheProzedurenundFunktionensindinderLageHilfsgroen konkreteauspragung,entstandengemaeinervorlage. zuverstecken,sodasienurwahrendderfunktionsausfuhrunglokalzurverfugungstehen,ihreexistenzistaufdieausfuhrungszeit derfunktionunddenort(d.h.innerhalbderfunktion)beschrankt. DieSchnittstellederFunktionweistdenNamenundevtl.benotigteParameteraus,dieRealisierungbleibtdemBenutzerebensowie 3angelehntan[Goos96] diehilfsgroenverborgen.diesesversteckenwirdmitkapselungbezeichnet.daskonzeptderabstraktendatentypen(adt)erweitertdie

7 ObjektorientierteProgrammierung MoglichkeitenderKapselungdahingehend,daesnunauchmoglich6 ist,lokalsichtbaredatenzuverwenden,derenlebenszeitnichtaufdie AusfuhrungszeiteinerFunktionbeschranktist.Dadurchwirdeinhoher GradanAbstraktioninderBeschreibungundimUmgangmitbenutzerdeniertenDatentypenerreicht4,auerdemhabenEingrieindie SoftwarenurlokalbeschrankteAuswirkungen:AnderungenderImplementierunghabenbeistabilerSchnittstellekeinenweiterenAnderungsaufwandzurFolgeundManipulationsoperationen,beschranktdenZugriaufdieDatensenschnittstelle,aufzufassenalsGesamtheitallerzulassigenZugris- sindalsimplementierteabstraktedatentypenzuverstehen.dieklas- DieObjektorientierungleistetdiesmitdemKlassenkonzept:Klassen schlossensind.dieentscheidungeinerimplementierungverteiltdabei keineglobalenvariablenvorhanden,sodanebenwirkungenausgestruktur.jedwedekonkreterealisierungbleibtdemanwenderverborgen.auerhalbderklassenhierarchiesindkeinegemeinsamendaten, ihrekonsequenzennichtimganzenprogramm,sondernwirdaneinem "Ei\:5 Punktkonzentriert.GoosnenntalsMetapherfurdieKapselungein Datenstruktur Kapselung OperationenfurZugriundManipulation abstrakteklassenundvererbung dejedochggf.konkretanzugeben.dazukonnendieentsprechenden spezischendetailsunterscheiden.wunschenswertistes,diegemeinsamkeiteneinmalfestzulegenundmehrfachzuverwenden,unterschie- EssindKlassenvorstellbar,dieeinanderahnlichsindundsichnurin 5[Quibeldey-Cirkel94],S.64 4[Schwill95],S.180 Groen(Attribute,Methoden)lokalgeandertwerden,mussenjedoch nurbeitatsachlichembedarfangepatwerden.

8 ObjektorientierteProgrammierung ObjektorientierteBeschreibunggestattetes,voneinemBasistypeiner 7 stelleundfunktionalitat,kanndiesejedochaucherweiternodermodi- klassesuperklasse.dievererbungsrichtungsuperklasse!subklasse KlasseweitereTypenabzuleiten.DerabgeleiteteTyperbtSchnittzieren.DieabgeleiteteKlasseheitSubklasse(Unterklasse),dieOber- beschreibteinespezialisierung,dierichtungsubklasse!superklasse Generalisierung. NebensolchenkonkretenOberklassensindauchsog.abstrakteOberklassenerlaubt:BeschreibteineKlassenurAuenverhalten,soheitsie abstrakt.siereprasentierteinemengekonkreterklassenmitgleichem Auenverhalten.UnterklassenerbenMerkmale(Attribute,Methoden) vonoberklassen,durfenaberaucheigenemerkmaleinformvonattributenodermethodeneinbringen.eineabstrakteklassemustets Oberklasseseinundeine(konkrete)Unterklassebesitzen. BeiderVererbungsindgrundsatzlichzuunterscheiden: {"ist-spezialisierung-von\-vererbung {"ist-ein\-vererbung (gleichseitigesdreieckistspezialisierungvonallgemeinemdreieck), (SchuleristeinMensch), {"implementiert\-vererbung {"hat-ein\-vererbung (ListerealisiertMenge), {"verwendet\-vererbung (wirdausschlielichtechnischverwandt) (EinKreishateinenPunktalsMittelpunkt) ErbteineKlassedieVerhaltensweisenmehrerer(Super-)Klassen,so sprichtmanvonmehrfachvererbung.dieallensubklasseneinergemeinsamensuperklassegemeinsamenmerkmaledersubklassenheien abgeleitet,diespezischenmerkmaleheienkernmerkmale.dabeikonnenabgeleitetemethodenuberschriebenwerden,indemfurdie UnterklasseeineneueKernmethodeangegebenwird,diedieSpezikationrealisiertunddieAufgabenderabgeleitetenMethodeubernimmt. VererbungdientderModularitatundUbersichtlichkeitundfordertdie werdenkann. programmiertwerdenmussenundaufgrundbegriezuruckgegrien WiederverwendbarkeitvonBausteinen,dagleicheKonzeptenureinfach

9 ObjektorientierteProgrammierung Polymorphie 8 InmonomorphenProgrammiersprachenbesitzenProzeduren,Funktionen,Parameter,OperatorenundOperandeneineneindeutigenTyp, polymorphesprachenerlaubenmehralseinentyp.6dadurchwirddie SignaturzueinermehrelementigenMengevonSignaturenundistnicht richteindienstangefordert,soentscheidetesselbstandig,wieesden spezischendiensterbringt.esgiltzwischenstatischerunddynamischerbindungzuunterscheiden: dervererbung.wirdvoneinemobjektdurchversendeneinernach- eindeutig.polymorphiestehtindirektemzusammenhangzumkonzept {statischebindung: diekonkreteklasseiststarraneineabstrakteschnittstellenklasse gebunden.sokanndergebraucheinerklasseentworfenwerden, {dynamischebindung: ohnesieimdetailzurealisieren,dierealisationwirdinformeiner konkretenunterklassenachgereicht.dabeiwerdendiemethoden dieauszufuhrendemethodewirderstzurausfuhrungszeitbestimmt.dadurchkonnenobjektemitgleichemauenverhalten uberladen. gierenindividuellaufgleichlautendenachrichten.stehtzuruber- setzungszeitnochnichtfest,zuwelcherklasseeinobjektzur einheitlichverwendetwerden:verschiedengestaltigeobjekterea- erstzurlaufzeithergestellt,daherauchlatebindinggenannt. dannassoziiert,wenndasdurchdennamenbezeichneteobjekt erzeugtwirdbzw.diemethodeverwendetwird.diebindungwird Ausfuhrungszeitgehorenwird,sowirdderNamederKlasseerst Gallzeigtin[Gall95],S.196diePolymorphie-TypenbeiderObjektorientierungauf: {adhoc-polymorphie: EineFunktionkannbeigleicherHandhabeaufeinerendlichen MengevonTypenineinervomTypabhangigenWeiseoperieren overloading:einnamestehtfurunterschiedlichesemantischeobjekte(funktionen,operatoren).dieentscheidung, welcheauspragungverwendetwird,falltaufgrunddeskontextes. 6[Gall95],S.196 coercion:jedesfunktionsargumentwirdineinenvorgegebenentypumgewandeltunderstdannubergeben.

10 ObjektorientierteProgrammierung {universal-polymorphie: 9 FunktionenaufpotentiellunbeschrankterZahlvonTypen: inclusion:vererbung/klassenhierarchie:einobjektkann parametric:generizitat:generischefunktionkannihreaufgabemitargumenteneinesnochnichtkonkretisiertentyps alszuunterschiedlichenklassengehorigbetrachtetwerden. EinObjektauseinerSubklassekannineinemSuperklassenkontextverwendetwerden. PolymorphiefordertUbersichtlichkeitundVerstandnis,dafurverschie- durchfuhren. deneobjektegleichenamenentsprechenddererwartetenfunktiona- EssindnichtalleobenvorgestelltenKonzepteerforderlich.Diewesentlichen KonzeptewerdenauchalsGrundsaulenderobjektorientiertenProgram- Begriichkeiten 2.4litatvergebenwerdenkonnen. mierungbezeichnet,diessindkapselung,vererbungundpolymorphismus, alsbasiskonzeptewerdenobjekte,klassenundvererbunggenannt.7man unterscheidetnachwegenerschlagwortartig: Objektorientiert=Objekte+Klassen+Vererbung Objektbasiert=Objekte Klassenbasiert=Objekte+Klassen 2.5 NichtalleProgrammiersprachenunterstutzenObjektbasiertes/ObjektorientiertesProgrammieren:8 Nicht-Objektbasiert(non): LISP,Algol,C,Pascal,Modula,Ada Nichtrein-Objektorientiert(hybride): Flavors,LOOPS,CLOS,C++,Objective-C,O-OPascal,Delphi rein-objektorientiert(pure): Smalltalk-80,Eiel,Actor,Oberon,Java 8aus:[Quibeldey-Cirkel94],S.121 7nach[Gall95],S.195und[Quibeldey-Cirkel94],S.118

11 ObjektorientierteProgrammierung 3 DidaktischeAnalyse 10 dasobjektorientiertedenkenzuvolliganderenprogrammarchitekturenfuhrt,diedierealendingeunsererumweltvielnaturlicherabbildenalsablauforientierteprogramme.\9 "Wersicheinmaldaraufeingelassenhat,wirdsehrbaldsehen,da 3.1.1BedeutungdesThemasimInformatikunterricht ObjektorientierungisteineEntwicklung(undeinSchlagwort,wieWirthzu BegrundungdesUnterrichtsvorhabens denkenist. BereichederDatenverarbeitunggehaltenhatundheutekaumnochwegzu- bedenkengibt),dieseitbeginnder90erjahrenverstarkteinzuginviele mitobjekten:derbildschirmistgespicktmitsymbolischenmetaphern(piktogrammen),diefurmitunterkomplexeoperationenstehen.jederanwender kannseinallgemeinwissenintuitiveinsetzen: JederBenutzereinesmodernenBetriebssystemsarbeitet(oftunbewut) "Ordner\,"Dokument\,"Ablage\und"Aktenkoer\.EinDokumentwirdin einemordnerabgelegt,indemesmitderhand(mittelsmaus)aufgegrien undimordnerfallengelassenwird.10der"papierkorb\aufdem"desktop\ Aufdem"Desktop\(=Schreibtisch)gibtesBuroutensilienwie"Papierkorb\, wohldateienalsauchtextausschnitte,klange,piktogrammeetc.,ohneda ArtenvonDatenverwendetwerden,erschlucktKraftseinerPolymorphieso- "losche\.einsolcher"papierkorb\kannmitgeringemvorwissenundfuralle istsinnbildundschnittstellefurdieabstraktehandlung"verwerfe\oder Vorwissennotig,umsolcheLoschoperationenausfuhrenzukonnen.11 anweisungsgesteuertenbetriebssystemenistsyntaktischesundbegriiches schwindetalleswiderruichinihm,biser"geleert\wird.beiderarbeitmit derbenutzerirgendeineunterscheidungtreenmu:miteinemmauszugverfolgenineineranwendungaufzeichenwill,kommtumobjektorientierung kaumumhin.samtlicheverbreitetenmodernenmakrosprachen(wievisual Basicu.a.)bedienensichamKonzeptvorratderObjektorientierung. JederderauchnureinMakrozurAbkurzungoftgebrauchterAnweisungsdeaus,Losche.EineTabellenzellekannObjektevomTypusText,Formel, Schriftart,StiloderFarbeundMethodenwieKopiere,Modiziere,Schnei- 9Spolwig,[Spolwig95],S.43 JedesWortineinerTextverarbeitungisteinObjektmitAttributenwie 11[Quibeldey-Cirkel94],S [Quibeldey-Cirkel94],S.150

12 ObjektorientierteProgrammierung Grak,KlangodergareineweitereTabelleenthalten. 11 stemenaufschrittundtritt,wennauchoftunbewutundversteckt.doch werlerntwieobjektorientierungfunktioniert,kanndiefunktionalitaterst invollemumfangerkennenundsichzueigenmachen. ObjektorientierungbegegnetdemAnwendervonDateninformationssy- schildertdievorteile: Beschreibung\12einstarkesMittelzurReduzierungvonKomplexitat.Wirth Weiterhinistdie"...ZerlegungdesSystemsinseineObjekteundderen "...undheuteistdieobjektorientierteprogrammierungzueinem denendiedatenunterworfenwerden.eshandeltsichummehr wichtigenbegriundzueinerpotententechnikgeworden... EsstecktmehrdahinteralsdasvielzitierteindenVordergrund ruckenderdatenalsobjekteanstellederablaufe(algorithmen), alseinereinalternativebetrachtungsweisevonprogrammierten geschutztvorindiskretenzugrienaufzubewahren.datenwerdennurautorisierten(eigenen)methodenausgegeben.folglichlassensichaspektedes DasKonzeptderDatenkapselungermoglichtesdemEntwickler,Daten Systemen.\ BegrundungdesThemasausdemLehrplan ohnezusatzlichenaufwandberucksichtigtwerden. DatenschutzesvereinfachtrealisierenundkonnenbereitsimSystementwurf Quibeldey-Circelzeigtin[Quibeldey-Cirkel94],S.12auf,dadieTrendwendehinzurObjektorientierungumdenJahrzehntwechsel80/90erfolgte, derstarkeaufschwungbeganninden90erjahren.derlehrplanentwurffur diezurentstehungszeitnochgeringerichtungderobjektorientierungnicht explizitsondernnurinansatzenan.dennochistdasobjekt-paradigmazu denaktuellentrendsinderinformatikzuzahlen,undsomiterlaubtundvertenstrukturenunddatenschutzanzusiedeln)oder13pichtetderlehrplandieeinbettungderthematikinnerhalbdeskomplexes "AktuelleEntwicklungen\derKlassenstufen12(zwischendynamischenDa- Rheinland-Pfalz14stammtweitgehendausden80erJahrenundsprichtdaher furdieanstehendeprojektphasefachgerechtausfallenkann. starkeshilfsmittelandiehandgegeben,sodadieauswahlderwerkzeuge 12[Spolwig95],S.44 SpeziellmitdenKonzeptenderObjektorientierungwirddenSchulernein VersprechenderObjektorientierung.\ 13Wirth,Niklaus:ImVorwortzu"ObjektorientierteProgrammierunginOberon-2:Das 14[Lehrplan93]

13 ObjektorientierteProgrammierung InsgesamtwirdsodenfolgendenAnspruchendesLehrplansRechnung 12 getragen: DatenschutzdurchKonzeptderKapselung. ErganzendeBeschreibungderDarstellungvonDaten. ObjektorientierteProgrammierungwirddurchgangigmittelshohererProgrammierspracheneingefuhrt,eswerdenhohereSprachelementeverwendet. MoglichkeitenObjektorientierterBenutzer-Dialoge/Oberachen. KommunikationMensch-MaschinedurchDiskussionundErfahrungder AusdenAnforderungendesrheinland-pfalzischenLehrplanentwurfswerden GenerellbietetessichanObjektorientierunginderProjektphaseeinzusetzen. Zerlegung)undStrukturierung(Vererbungshierarchien)thematisiert.Das undobjektorientiertemodellierung),modularisierung(durchsystematische ProblemlosenmitWerkzeugenwirdeingeubt,dasBewutsein,daeinePro- diezentralenprinzipienmodellbildung(suchederessentiellengegenstande dastheoretischemodellderobjektorientierungeinendlicherautomatist, sendiagramm,quellprogramm)dargestelltwerdenkann,wirdgeweckt.da lassensichu.u.einblickeindaswesenvoncomputerngewinnen. blemlosunginverschiedenensprachebenenundbeschreibungsformen(klas Fachspezisch-allgemeineLernziele Quibeldey-Cirkelnennt15dreiTendenzen,diedasObjekt-ParadigmavereineunddieinderInformatikvonzentralerBedeutungseien: EntlastungdesEntwicklersvonEntscheidungenaufunterenEbenen. EntwicklungabstrakterSprachmittel,diedemProblemnahersindals dermaschine. Baumannnennt16Algorithmische-undDatenabstraktionalsgrundlegende KonzeptederInformatik,Objektorientierunghangtmitdiesenengzusammen.AuerdemseiObjektorientierungeinweitererSchrittinRichtungauf ubersichtlichstrukturierte,wartungsfreundlicheundleichtwiederverwend- SuchenachinterdisziplinarenPrinzipiendesEntwerfens. baresoftware.ideenwiestrukturiertesprogrammierenundmodularisierung wurdenzuendegedacht. 16[Baumann90],S [Quibeldey-Cirkel94],S.13

14 ObjektorientierteProgrammierung Schwillschreibt17demObjekt-ParadigmadieFahigkeitzurVermitt- 13 lunggrundlegenderkonzeptewieabstraktion,klassikationundsystema- tisierenzu: "Wirfavorisieren...denobjektorientiertenAnsatzvorallemaus dreigrunden: ErstenserfulltdiesesParadigmaunbestrittenermaeninformatischorientierteForderungennacheinemzeitgemaenUnterricht mitmachtigenkonzepten,wieerweiterbarkeit,anpabarkeit, Rekonguration,Vererbbarkeit,Kapselung,evolutionareSoftwareentwicklungsowieWunschenacheinerstarkerenAnwendungsorientierungdurchBetonungderNutzungdesComputersanstelle SpiralprinziporganisiertenCurriculums,aufhoheremNiveaubeliebigausbaufahig... ZweitensistdieserAnsatzeinzentralesMerkmaleinesnachdem voneinemvertieftenverstandnisseinerfunktionsweise. Drittens unddieserscheintauspadagogischersichtderwich- unter,diebeimdenken,erkennenundproblemlosenimmenschlichengehirnablaufen.\1tigstepluspunkt ordnetsichderobjektorientiertestilinbesondererweiseharmonischdenelementarenkognitivenprozessen werden.\19 nenntauerspolwigaucheirund:"...sondernkannauchalseinemenge vonkonzeptenzurreduzierungderkomplexitatvonsystemenverstanden DadasObjekt-ParadigmaeinMittelzurReduktionvonKomplexitatist, gungauskognitionspsychologischersicht\20auchvonmullervorgebracht. Erstelltin[Muller92],S.160dar,daobjektorientiertesDenkeneineVielzahlvonAspektenmenschlicherVorstellungs-undDenkweisenwiederspiege- LernpsychologischeVorteilewerdennebenSchwillin"EineRechtfertile,eswurdenFahigkeitenwieAbstraktion,KlassizikationundSystematisierentrainiert.AuchKooperation,einewesentlicheKomponentemenschlichenDenkensundHandelns,werdevomObjekt-Paradigmaunterstutzt:Da ObjekteautonomsindunddasVerhaltendesSystemsdurchdasZusammenwirkensolcherGebildezustandekomme. 19[Eirund93],S.40 20[Eirund93],S.44f 18[Schwill95],S [Schwill95],S.160

15 ObjektorientierteProgrammierung WirthwarntnebenlobendenWortenaberauchvoreinerubertriebenen 14 Euphorie: jektorientierterweiseneuprogrammiertwerden.imgegenteil, "Dennestritnichtzu,daalleProblemenutzbringendinob- dieneuemethodikkommterstrechtzumtragen,wokomplexe DatenstrukturenundAlgorithmeninsSpielkommen.Esware tierung\22daraufein,dadasobjekt-paradigmaschopferischesproblemlo- senfordere,imgegensatzzumreinalgorithmischenlosungsweg,dersich auf"unschopferischesaufgabenlosen\durch"reproduzierendeskonstruie- Quibeldey-CirkelgehtimKapitel"ZurPsychologiederObjektorien- verfehlt,diekonventionellesichtadactazulegen.\ ren\beschranke. AuswahlundStrukturierungderInhalteundZiele EssolleineersteSchuler-BegegnungmitKonzeptenderObjektorientierung 3.2.0IntentionderUnterrichtsreihe mitbegrundung erreichtwerden.einkursinobjektorientiertermodellierungwirderstbei groen,komplexenproblemeninteressant,diesichaberleichtausdemden sonderngleichpraktischangewendetwerdenkonnen.dahersolleinkurs SchulernbekanntenoderintuitivenKontextentfernen.Interessewirdleichter geweckt,wenndieneuerlerntenmoglichkeitennichtnurtheoretischgeubt, inobjektorientierterprogrammierunggehaltenwerden,beidemdiemodellierungsphasezwarnicht"unterdentischgekehrt\wird,sondernnurim RahmenderBeispielethematisiertwird.DerSchwerpunktsollauchnicht aufderumsetzungderkonzepteineinerprogrammierspracheliegen,da sollenmitobjektorientiertersoftwareinberuhrungkommenundihrevorteilekennenlernen. spaterkanneineerweiterunginverschiedenerichtungenerfolgen.schuler diekonkreteumsetzunginjederspracheandersrealisiertist.esgehtum einreinesersteskennenlernenderobjektorientiertenmittelundkonzepte, VersprechenderObjektorientierung.\ 21Wirth,Niklaus:ImVorwortzu"ObjektorientierteProgrammierunginOberon-2:Das 22[Quibeldey-Cirkel94],S.124

16 ObjektorientierteProgrammierung 3.2.1HierarchiederObjekt-Konzepte 15 Attribute Methoden Klasse Polymorphie Kapselung Anwenden Vererbung Instanz adhoc universal Datenschutz Typen Subklasse Superklasse overloading coercion inclusion parametric nenkonzeptevoneinanderabhangigsind.dasbetreteneinerhoherenstufe ObigerHierarchie-BaumderObjekt-Konzeptezeigtauf,dadieverschiede- Mehrfachvererbung abstrakteklassen 3.2.2AuswahlderLernzieleunddidaktischeReduktion isterstnacherreichendertieferenmoglich. undmethodenzuerkennenundobjektesowohlanschaulichalsauchineiner Objekt-Paradigmaszubetreiben,ohnedieGrundstruktur"Objekt\zuverwenden.Schulersollendaherlernen,mitObjektenumzugehen,Attribute EsistnichtmoglichProgrammierung(oderModellierung)imSinnedes FachspracheundderFachterminisolleingeubtwerden. Programmierspracherichtighandzuhaben.DieVerwendungeinerkorrekten GelegenheitderSchulererneutindieLageversetztwerden,zueinemrealenKontextObjektklassenzumodellieren,diedengestelltenAnforderungen genugen.allerdingsdarfdieintentiondieserunterrichtsreihederobjektori- ModellierungistzentralesThemaderInformatik,dahersollbeidieser entiertenprogrammierungnichtdurchmodellierungsverfahrenodernotatio- nenwieer-modellu.a.verdecktwerden. ineinerhierarchiefuhrenohneweitereszudemmitteldervererbung,die TerminiSub-undSuperklasseoderanalogUnter-undOberklassesollen Schulerngelaugsein,dasonsteinesderstarkstenMittelderObjektorientie- KlassikationderaufgestelltenObjektklassenundgeeigneteAnordnung

17 ObjektorientierteProgrammierung rungnichtgebrauchtwerdenkannunddieeinblicke,diedieseunterrichtsreihebietensoll,zustarkbeschranktwurden.dabeikannzurmotivierungder 16 VererbungsmechanismendieerwunschteWiederverwendungerstellterProgrammteileherangezogenwerden.Esreichtaus,anVererbungsmechanismen "ist-ein\,"hat-ein\und"ist-spezialisierung-von\kennenzulernen,dadiesdie sindṁehrfachvererbungistfurerstebegegnungennichtnotig,sonderneher inderpraxisamhaugstenauftretendenmoglichkeitenderstrukturierung hinderlich,daherkanndaraufverzichtetwerden.auerdemwirdmehrfach- vererbungvonvielensystemennichtunterstutzt(z.b.java).dadiede- nitioneinerallensubklassengemeinsamenschnittstellenichtnurineinerabstraktenoberklasse,sondernauchindensubklassenerfolgenkannklassegehort,durftedannintuitivklarsein.derdadurcherfolgendebe- istderbegriderabstraktenklassenichtzwangslaugnotwendig.erkann begriicheingefuhrtwerden.dazuabstraktenklassenstetseinesubschnittdermachtigkeitderobjektorientierungistverschmerzlich,einespatereeinfuhrungkannerwartungsgemaohneproblemeerfolgen. zurvollstandigenstrukturierungundaufzeigenderzusammenhangeleicht nung,methodenmitahnlicher(gleicher)funktionsollendengleichenbe- zeichnertragen,alsoeinzigalsad-hoc-polymorphieerkanntwerden.dame- thodenmitgleichembezeichnerunterschiedlicheaufgabenerfullenkonnen, PolymorphieistzentralesMittelzurErreichungvonUbersichtundOrd- passendentyp,objektausder"ablage\ein).verschiedenetypenderpolymorphiebrauchenbeialleinigerverwendungderad-hoc-polymorphienicht unterschiedenwerden. dassystemmaximaleubersichtlichkeit(nichtkurze!)erhalt,umobjektorientierungalshilfsmittelzurkomplexitatreduktionzuerkennen.auerdemdientdievererbungdereinsparungredundantenquelltextes. DieMittelVererbungundPolymorphiesollensoeingesetztwerden,da re\schneidetsowohldateienwieauchtexteusw.aus,"tintenfa\(?)oder "Klemmbrett\(?)fugenjenachKontextdas"richtige\,d.h.zumKontext wirdintuitivdurchdenumgangmitstandard-programmen.(icon"schesichtbarundunerreichbarsind.dadurchkonnenwichtigeaspektederdatenschutzproblematikangesprochenwerden,auerdemsollenschulereinsehen, uberobjekt-eigenemethodenerreichtwerdenkonnenundnachauenun- DerBegriderKapselungsollsoeingesehenwerden,dadieDatennur erwunschtenebenwirkungenmitsicherheitausgeschlossensind. Paketeo.a.)erkanntundrichtiggenutztwerden. dadiesdiewartungsfreundlichkeitvonsoftwaresystemenerhoht,daun- SchlielichkonnenObjekteinfertigenSystemen(Betriebssystem,Oce-

18 ObjektorientierteProgrammierung 3.2.3OrdnungderLernzielenachKriteriengrob/fein 17 Groblernziele DieSchulerinnenundSchulersollen {denbegridesobjekteskennenlernenundihnrichtiganwenden {dieideederobjektorientiertenmodellierungunterbesonderer {daskonzeptderdatenkapselungverstehen, konnen, {VorteileObjektorientierterProgrammierungerfahren. {daskonzeptderpolymorphiekennen, BerucksichtigungderVererbunganwendenkonnen, Feinlernziele DieSchulerinnenundSchulersollen {eineinzelnesobjektinturbo-pascaldeklarierenkonnen, {wissen,daeinobjektausattributenundmethodenbestehtund {dasaufrufendermethodeneinesobjektesbeherrschen, fureinenrealengegenstandodersachverhaltsteht, {eineklassevonobjekteninturbo-pascaldenierenkonnen, {wissen,wiediesedatentrotzdemgeandertundausgegebenwerden {erfahren,waskapselungistundwiesiefunktioniert, {erkennen,warumdatengekapseltwerdenund {VorteilederKapselungkritischaufzeigen, konnen, {erkennen,dadaskonzeptdervererbungdiewiederverwendung {daskonzeptdervererbungdabeisinnvollanwenden, {einfacheminiweltenobjektorientiertmodellierenkonnenund {anhandeinerobjekthierarchiedaszusammenspielderobjekte erkennen, vonsoftwarebauteilenerleichtertunddamitfordert, {ProgrammierenalsModellbildungundderenRealisationaufdem Rechnerverstehen,

19 ObjektorientierteProgrammierung {diestrukturierungvonwissenalsmittelderentechtungvon 18 {wissen,daesmehreremethodenundattributemitgleichembe- Komplexitaterkennen, {erkennen,dapolymorphiedieverstandlichkeitvonkomplexen zeichnergebenkann,dieabereinunterschiedlichesverhaltenauf- weisenkonnen, {BeispielefursinnvollangewandtePolymorphienennenunderlautern konnen, Systemenerhoht, {diekonzeptederobjektorientierunganwendenund {ihreprogrammierfertigkeitverfeinern, {Zusammenhangeaufzeigenkonnen, {inihrerkooperationsbereitschaftgefordertwerden, {lernen,inteams(gruppen)zuarbeitenundsichgegenseitigauszutauschen, {trainieren,ergebnisseeinergruppezuprasentieren.

20 ObjektorientierteProgrammierung 3.3 VoraussetzungenundVorkenntnisse 19 DaderUnterrichtsblockinderKlassenstufe12angesiedeltwird,verfugendie sitzenfertigkeiteninauswahl,denitionundumgangmitdiesendatenty- pen.auerdemhabensiebereitserfahrungenmitmodellierungsvorgangen. Spolwigberichtet,daes"VonunschatzbaremNutzenist...,wennvorher einetextverarbeitunginderweiseeingefuhrtwurde,daestextobjekte gibt(zeichen,wort,zeileusw.),aufdenenoperationen(loschen,einfugen, Kopieren)moglichsind.\23 tenprogrammierungundkonnenmitprozedurenundfunktionenumgehen. Schuler(gemaLehrplan)uberVorwissenausdenBereichenderstrukturier- EinfacheundzusammengesetzteDatentypensindbekannt,dieSchulerbe- Obenistausgefuhrt,danichtnuruberObjektegesprochen,sondernObjekte auchprogrammiertwerdensollen.esbleibtdiefragederprogrammierspra- 3.4 ZurFragederProgrammiersprache SprachebereitsdasnotwendigeRustzeugmitbringt,umdamitObjektorientiertprogrammierenzukonnen.Diesgewahrleistenz.B.dierechtweit werdenmu,sonderndiedenschulernausdemanfangsunterrichtbekannte sprachen.vonvorteilistes,wennkeineneueprogrammierspracheeingefuhrt che,zurauswahlstehtprinzipielleinederpure-oderhybride-programmier- sonderseinfach,dazudeneinzelnendatenfeldernnurnochdieoperationen hinzugefugtwerdenmussen.diesyntaxbleibtweitgehenderhalten,objekt- verbreitetespracheturbo-pascalabversion5.5.derumstiegvonzusam- MethodenwerdenanalogzuDatenbereichenmitdem.(Punkt-)Operator mengesetztendatentypen(recordinpascal)aufobjekteerweistsichalsbe- hatdenvorteil,dadelphiweitreichendemoglichkeitenzurmanipulation vonbestehendenobjektenbietet;ausumfangreichenklassenbibliotheken erreicht. konnennutzlichemoduleausgewahltwerden,diesofortzurverfugungstehen.dafurbestehtdiegefahr,dadassehrumfangreichedelphideneinstieg durchdiekomplexitatderprogrammierumgebungerschwert. fuhrtinoberonein.dadieseunterrichtseinheitnurindiekonzepteeinfuhrenwill,istwohldaserlerneneinerkomplettensprachemitdermachtigkeit vonoberonunangemessen;solljedochzukunftigmehrmitobjektengear- VonWirthu.a.wirdOberonempfohlen,auchderverfugbareKurs24 EineAlternativeistes,vonTurbo-PascalaufDelphiumzusteigen.Dies beitetwerden,kannzweifelsohneoberongewahltwerden. 24[Hermes&Stein96] 23[Spolwig95],S.48

21 ObjektorientierteProgrammierung AusaktuellemAnlaistJavaalseinedermodernstenProgrammiersprachenzunennen,derenUnterrichtstauglichkeitvonBaumannangezeigt wird25.allerdingsgehtervoneinereinfuhrungimanfangsunterrichtaus aufc++umgestiegenwerden,syntaktischedierenzensindklein. PascalalsSpracheverwendet,zumeinen,weilsiedienotwendigeStruktur SolltediedenSchulernbekannteSpracheCsein,kannaufJavawieauch 20 undhatdamitanderevoraussetzungenalsdiesereihe. innehat,zumanderen,weilsichderumstiegaufobjektebesonderseinfach gestaltet.dieanfanglichenumstellungsschwierigkeitenvonablauforientiertenprogrammenwerdenkleingehalten,daimmernocheinhauptprogramm vorhandenistundnotfallseineahnlichefunktionubernehmenkann. dieobjektereagierenautonom.daturbo-pascalhybrideist,gibtesein Hauptprogramm,dasaberlediglichdenCharaktereinesSteuermodulsbesitzt undnichtzwangslaugdendatenuregelt. EinreinobjektorientiertesProgrammbesitztkeinHauptprogrammmehr, DadiektiveKlasseTurbo-Pascalbeherrscht,wirdimfolgendenTurboausfuhrlichin[Tischer]den:MitdemSchlusselwortOBJECTwirdeineKlassendenitiongekennzeichnet. EineBeschreibungdernotigenObjekt-SyntaxndetsichimAnhang, DochauchdieNachteilevonTurbo-Pascalsollennichtverschwiegenwer- EinObjektalsExemplareinerKlassewirdalsVariableimVAR-Block deklariert. UmdynamischesBinden(latebinding)zuerreichen,mussendieMe- KapselungwirdimstrengenSinnenurdurchdaszusatzlicheSchlusselwortPRIVATEerreicht. Polymorphiekannnichtvollausgenutztwerden.JedesObjektdarf thodenexplizitalsvirtualdeklariertwerden,proceduremufurini- tialisierungsmethodendurchconstructorersetztwerden. Esgibtkeininstanceof,mitdemraschdieKlassenzugehorigkeiteines MethodennameninTurbo-Pascalnureinmalenthalten,unabhangig Objektesfestgestelltwerdenkann.DiesistzwarimstrengenSinnnicht vonderensignatur. einererhohungderubersichtlichkeitdienen,wennkonkretefallunterscheidungendurchgefuhrtwerden. notigenentscheidungentrit,kannaberinmanchensituationenzu notig,dajedesobjektseineklassenzugehorigkeitkenntundselbstdie 25cf.[Baumann97]

22 ObjektorientierteProgrammierung TrotzderhiergeschildertenNachteilesollTurbo-Pascalverwendetwerden. 21 Delphi,JavaundOberonwieeinKompromierscheinen,bietetaberunter rung.sinddiekonzepteersteinmalbekannt,kannebensoleichtaufdie DiesmagzwarinAnbetrachtder"modernen\ObjektorientiertenSprachen ahnlichensprachendelphiundoberonumgestiegenwerden.esmagdie diesenumstandeneineidealeausgangsbasisfurjedwedespatereorientie- wird,sondernerstimaltbekanntenturbo-pascalbegonnenwird.dieskann syntaktischc-ahnlichesprachejavawieauchaufdiesyntaktischpascaldahingehendbeantwortetwerden,da Frageaufkommen,warumdannnichtgleicheinedieserSprachengewahlt 2.derUmstiegaufeineandereSprachenichtzuweiteremErkenntnisgewinnfuhrt,26 nocheinegesamte,machtigenprogrammiersprachekennenlernenund sichnichtineineneue,unbekannteentwicklungsumgebungeinarbeiten 1.dieseReihewirklichnureinfuhrenwillunddieKonzeptedazuinausreichendemMavonTurbo-Pascalgebotenwerden, 3.demSchulerdieNeuenKonzeptedeutlicherwerden,wennernicht 4.inZukunft(z.B.inderProjektphase)geradedurchdieBeschrankung mu,sonderndieihmbekanntesyntax,befehlsvielfaltunddieerprobte Entwicklungsumgebungweiterverwendenkann, Auerdemsollnocheinmaldaraufhingewiesenwerden,da,sollteTurbo- wirklicheauswahlzwischenallensprachenbesteht,daallegrundmittel PascaldenSchulernnichtbekanntundeineNeuorientierungnotwendigsein, und-konzeptebekanntsindundeingeubtwurden. Ausbildunggetroenwerden. gleichwohlaufjava,delphioderoberonumgestiegenwerdenkann.jede diesersprachen27hatvor-undnachteile,dieentscheidungkannnichtgenerellgefallt,sondernmuimkontextderbisherigenundderangestrebten 3.5 AndenLernkontextwerdenverschiedeneAnforderungengestellt.DieKomplexitatsolldemLeistungsvermogendesKursesangemessensein,zugleich Lernkontexte wieautonomdieobjektewirklichsind,unddadiedynamikganzausdenobjektenselbst entsteht;dieskannaber{wenngewunscht{inturbo-pascalmittelsf$idateigsimuliert werden,fallsalleklassenmitihrenmethodenineigenendateienabgelegtwerden. 27undgegebenenfallsauchweitere,dieseAufzahlungsollkeinenausschlieendenCharakterhaben 26allenfallsdieAufteilungderKlassenaufjeweilseigeneDateienlatbeiJavaerkennen,

23 ObjektorientierteProgrammierung aberauchbeimeinstiegnichtzuhoch,damitderschwerpunktdenneuen 22 Stoerfat.UmdenZugangzumSystemverstandnisleichtzuhalten,solltederLernkontextkeinelangwierigenSystemanalysennachsichziehenunblematiknichtzuverdecken.Mullermeintdazu:"SowirdimUnterrichtmehr spezischeproblemnotwendigevorwissenmoglichstgeringsein,umdiepro- nacheinemgeeignetenbeispielgesucht,daseinealgorithmischegrundstrukturbzw.einenausgewahltendatentypgunstigeinfuhrt.dazusatzlichdie StrukturierungnichtzuvielZeitinAnspruchnehmen.\28Ummoglichstviele solltedieobjektstrukturmoglichstplastischsein,dabeiabernichtkunstlich konstruiertwirken.esbietensichverschiedenegebietean: ausdererfahrungsweltderschulerstammen.auerdemsolltedasfurdas praktischearbeitnichtzukurzkommensoll,darfdieproblemanalyseund- KonzepteeinubenunddieVorteilederneuenTechnikeneinsehenzukonnen, SystemzurBruchrechnung. Simulationeines(Brett-)Spiels. DieeinzelnenVorschlagesollennunkurzdiskutiertwerden: Graksystem. gestelltwird.insbesondereschachistsehrreizvoll,aberauchrechtkomplex undwirdnichtvonallenschulerngespielt.zugoperationenundregelwerk tailliertevererbungsstrukturdereinzelnenfiguren,diein[glaeser]kurzvor- DieSimulationeinesSpielsbieteteineausgesprochenplastischeundde- sindschwierig,hinzukommteinenotwendige,umfangreicherealisierungder Spielumgebung,dieZugegestattetunderfolgteZugenachvollziehenlat.PolymorphiekannbesonderseindrucksvollaneinerMethodezuggezeigtwerden,diejenachFigureinanderesVerhaltenzeigt.AndereSpielebietenoft keineausreichendeklassenhierarchieodersindahnlichschachzukomplex. Esistabermoglich,eineigenesKunst-Spiel{z.B.durchWeglassenoder HinzunehmenvonFigurenoderRegeln{zukreieren,dasdenAnforderungen morphiewirderstbeikomplexerenstrukturennotig,essindhilfsfunktionen istauchnichtsehrplastisch,dafurabervonsehreinfacherstruktur.poly- gerechtwird. wieggtundkgvnotig.dienotwendigetheorieistjedemgymnasiasten EinSystemzurBruchrechnung,angegebenvonBaumannin[Baumann] zurubungundkontrolledennalseinfuhrendesbeispiel. bekannt.ausgesprochenmotivierendwirkteinsolchesproblemabernicht, dassystembruchrechnungeignetsichdahereheralsvertiefendesbeispiel 28[Muller92],S.158

24 ObjektorientierteProgrammierung GrascheObjektesindjedemSchulerausderMathematikgelaug,so- 23 wohlzweidimensionalealsauchdreidimensionale.auchnotwendigeberech- zulenken.strukturenkonnenindividuellaufgebautundnahezuunbegrenzt erweitertwerden,umunterschiedlicheschwierigkeitsgradezurealisieren,beinungensindeinfachgenug,umnichtvomthematischenschwerpunktabschaulich.zweigrundideensollenangegebenwerdenspielesindausdembereichdermathematikgenugendvorhandenundan- 1.VonverschiedenendreidimensionalenObjektenwiePyramidenaufquadratischerGrundache,KegelnundTetraedergekennzeichnetdurchein GrundmaunddieHohesollderOberachen-undVolumeninhaltberechnetwerden.DieAnschauungistbegrenztdurchdieraumlicheVorstellung,Erweiterungsmoglichkeitensindgegeben,werdenjedochrasch komplex. 2.ZweidimensionaleObjektewiegleichseitigeDreiecke,Quadrateoder terungensindinbeinaheunbegrenztemmaemoglich:beliebigere- gelmaigepolygone,flachenberechnungen,einfarbungen,schrauren lenaufdembildschirmgezeichnetwerden.methodenzumerzeugen (Zeichnen),VerschiebenundLoschensollenangegebenwerden.Erwei- KreisegekennzeichnetdurchihrenMittelpunktundeinenRadiussoljektesindnichtschwierig,wennentsprechendeVorgabengemachtwerdenundfuhrenschnellzuErfolgsergebnissen,diezuweiterenExperimentenermutigen.NotwendigeKenntnissederGeometrieundFlachen- usw.sindmoglichevorschlage.dieoperationenzumzeichnenderobberechnungsindausdersekundarstufeiinausreichendemmaevor- DiesesletzteBeispielsollzummotivierendenEinstiegverwendetwerden. handenundgehennichtuberdensatzdespythagorasunddiekreis- formelhinaus. Formeln DenFlacheninhalteinesQuadratesFQ=g2solltejederGymnasiastder 12.Klasseberechnenkonnen,ebensodieFlacheeinesKreisesFK=r2. DagegendurftederEllipseninhaltFE=r1r2denmeistenunbekanntsein 3.6 undmudahervorgegebenwerden. VerschiedeneSchulbuchergehenaufObjektorientierungein,hierseienexemplarischgenannt: Lehrbuch

25 ObjektorientierteProgrammierung [Harbeck&Thode]nenntObjektklasseundfuhrtVererbungalsFortfuhrung 24 [Baumann]gehtaufGrundbegriederobjektorientiertenProgrammie- abstrakterdatentypenein. VonHermes&SteinliegteinKurs"ObjektorientierteProgrammierung\inFormeinesHeftes[Hermes&Stein96]vor,derinsbesonderrungein,zurEinfuhrungwerdendreidimensionalegeometrischeGebildeverwendet. VondiesenBucherwirdhierkeinesexplizitverwendet,stattdessenwerden aufgrakundoberoneingeht. lienandieschulerausgegeben. eigene,speziellaufdaszuerstellendegraphiksystemabgestimmtemateria- u.u.garnichtauallt,damehreremethodendengleichenbezeichnertragen SchwierigkeitensindbeimBegriderPolymorphiezuerwarten,daSchulern 3.7 BesondereSchwierigkeiten unddadiesnichtselbstverstandlichist.hierkannerganzenddaraufhingewiesenwerden,dabereitsfruherpolymorphieverwendetwurde,z.b.ist dasadditionssymbol+uberladen,auerganzenzahlenkonnenauchdezimalzahlenundzeichenketten"addiert\werdenperklassenkontextmittelsdesschlusselwortesself,wasverwirrung(verwendungvonlatebindingunddensog.virtuellenmethoden)stiftendurfte. UmgehenlasstsichdiesdurcheinsauberstrukturiertesKlassendiagramm,in ProblematischistauchdieVerwendungvonSubklassenmethodenimSu- welcherhierarchiedazuangesprochenwerdenmu. werden,werwannaufwelchemethodezugreifenmochteundwelchesobjekt demdiehierarchiedeutlichhervorgehobenist.durchpfeilekannmarkiert wemsollendatenzugriegeschutztsein?hierkannmotivieren,daessich nichtnurumeinenschutzvorlese-,sondernauchvorschreibzugrienhandelt,sodadasprogrammvorfehleingabengeschutztwird. AuchKapselungwirdu.U.alsuberussigempfunden,weshalbundvor

26 ObjektorientierteProgrammierung 4 MethodischeAnalyse "MankannobjektorientiertesDenkenbesondersgutlernen,wenn manentsprechenddenvorgestelltendidaktischenliniendiege- LernmethodischeAspekte legenheithat,einselbstodervonanderenimplementiertesinfor- mationellesmodellinteraktivzuandern,zuverfeinern,zuerwei- ternundmitanderenimplementiertenmodellenzukombinieren. AuchwennmandamitganzkleinundohnevieleVoraussetzungen beginnenkann,istobjektorientiertesprogrammiereneinweittragendesdenkinstrument.\29 DerLernprozekannaufzweiMethodenangelegtwerden: BeimsynthetischenZugangwirdeinzuerstellendesSystemvonGrundauf tioneingesetztundihrenotwendigkeitdirekteingesehen.diesevorgehens- weiseistbeidereinfuhrungderobjektorientierungschwierig,dakeinunmit- telbarerbedarfvorliegt,dievorteilederobjektorientierungkonnenjanicht neukonstruiert,diekennenzulernendenkonzeptewerdenbeiderkonstruk- EinfuhrungvonKonzeptennotwendig. BeimanalytischenZugangwirdeinbestehendesSystemanalysiert,erweitertundverbessert.ZuerstkannmitdenObjekteneinesfertigenSystems imvorfelderkanntwerden.auerdemwurdeeineunmotivierteabstrakte (Fahrplanautomat)beschrieben.EinVorteilliegtdarin,daersteErgebnisse experimentiertwerden.dabeiwerdendiemoglichkeitenderobjektorientierungdirektangewendetundsodurchpraktischesanwendenerlernt.dieser ZugangwirdvonSpolwigin[Spolwig95]aneinempraktischenBeispiel sehrschnellvorliegen,dadievorlageja"nur\angepatzuwerdenbraucht. DurchdieMoglichkeit,direktdasbestehendeSystemzuerweitern,wirdindividuellkreativesArbeitenerlaubt. WerdenbeideZugangegemischt,konnendieVorteilebeiderVorgehensweisen kombiniertwerden:analytischbeginnendsolleinvorgegebenesminimalsystemuntersuchtundanerstenminimalenerweiterungenerprobtwerden, eineanschlieendebesprechungsolldiekonzepteklarenundbenennen.anschliessendkannsynthetisch,d.h.dierichtigenmittelbewutanwendend, zweitenphaseistdaswissenumdieanwendungderkonzeptevorhanden fortgefuhrtwerden.spaterwerdenweiterekonzeptebeibedarfeingefuhrt. Dadurch,dazuBeginneinGrundsystemgegebenist,sindFortschritteund ErgebnisseschnellsichtbarundwirkenmotivierendaufdieSchuler.Inder 29[Crutzen&Hein95],S.158

27 ObjektorientierteProgrammierung undfuhrtmithilfedenindererstenphasegemachtenerfahrungenschnell zukorrektenergebnissen. DieUnterrichtseinheitistalsDialogzwischenwissendemLehrerunderprobendenSchulernangelegt.DiezuBeginngestellteAufgabestelltsichschnell UnterrichtsmethodischeAspekte alsschwierigundumfangreichheraus,derlehrerlieferteinen"anfang\,der {alsanreizundquelledienend{ausgebautwerdensoll.anhanddieses Impulses'werdenSchuleramRechneraufneue,unbekannteKonzepteund Technikengestoen,dieimweiterenVerlaufimmerweiterausgebautwerden. furstuckkennengelernt,eingeubt,xiertundvertieftsowohldurchweitere korrektabgeklartundxiert.jedeszielderunterrichtsreihewirdsostuck DurchdirektesArbeitenmitdenMittelnamRechnerwerdendieungewohntenKonzepteinihrerAnwendungerlernt,anschlieendimGesprachfachlich praktischetatigkeitalsauchehertheoretischeuberlegungen. Neuesleichterverstandenunderklartwerden.ImUnterrichtsgesprachwerdendiekennengelerntenKonzeptegemeinsamfachlichkorrekterortertund DabeiuberwiegendieSozialformenderPartnerarbeitamRechnerund GruppenarbeitzugemeinsamentheoretischenUberlegungen;gegenseitigkann HausaufgabeschlielichdientderselbstandigenindividuellenBeschaftigung vertieft,beispieleaufgezeigtundgrenzenbestimmt.dieeinzelarbeitinder mitdenkonzeptensowieeinerwiederholungundvorbereitung. nitionen,merksatzen,anwendungsbeispielenundallgemeinenuberlegungen.tageslichtprojektorundfolienwerdenfurmehrfachverwendetegra- zurprogrammierungeingesetzt,tafelundheftedienenderfixierungvonde- FurdiepraktischeArbeitwerdenRechnermitderSpracheTurbo-Pascal kenwiez.b.dieklassenhierarchieverwendet.auchzurkontrollevonhaus- aufgabenunddergegenseitigenvorstellungentwickelterlosungenkonnen Foliendienen. Teilproblemeausgewahlt,diedieentsprechendenAspekteinausreichendem Umfangberucksichtigen.DaruberhinausdientdieHausaufgabederVorbereitungdesnachstenThemenschwerpunktes,siesolldieProblemlosefahigkeit Ubungsaufgabenvergebenunduberpruft.AlsUbungsaufgabenwerdendazu DerLernerfolgwirdregelmaigkontrolliert,furdiesenZweckwerden fordern.

28 ObjektorientierteProgrammierung 5 Unterrichtsplanung(Skizze) ZurEinfuhrungwirddasProblemgestellt,einComputergeometriesystemzu entwickeln,daseserlaubensoll: Punkte,Kreise,Quadrateu.a.geometrischeObjektezuzeichnen, DieAufgabenstellungwirdalsArbeitsblattausgeteilt. diesezuverschiebenundzuloschen, Nachdemgemeinsamraschfestgestelltwird,dadasgegebeneProblemrecht ihrenflacheninhaltrechnerischzubestimmenundauszugeben. komplexist,wirdalsersterschrittderentzerrungandiegrak-befehlevon Stundendieserlauben. Turbo-PascalerinnertundeineentsprechendeZusammenfassungausgeteilt. ImAnschluwirdeinknappgehaltenes,minimalesProgrammausgeteilt, EventuellkanneinSchulerkurzreferierenundeineentsprechendeZusammenfassungerstellen,fallsderZeitrahmenundderAblaufdervorherigen dasbereitsmitpunktenalsgeometrischenobjektenumgehenkann.an neuenbegrie.anhanddiesesprogrammeserfolgtdieerstebegegnungder SchulermitObjekten;EskonnenneuePunkteerstelltundgezeichnetwerden,dabeiwirdintuitivmitdenBegrienundderSyntaxumgegangen.Der ProgrammgibteseinekonkreteAufgabenstellungzurHerausarbeitungder MethodenstehennurInitialisierenundZeichnenzurVerfugung.Zudiesem meltundggf.geklart. Methoden.SchlielichwerdendieneuenSchlusselworteanderTafelgesam- denschulernbereitsbekanntepunkt-operatorfuhrtvomobjektzuseinen LehrerseinemKurseinfertigesObjektubergibt,dadieAufgabedesHaupt- DieobigerVorgehensweiseleichtabwandelndistesauchmoglich,dader ErganzungzurEinfuhrung renundinitialisierenundkannsichmehraufdenmodellierungsprozeund Tasten)oderderMausinteraktivgeometrischeObjekteaufdemMonitor zuerstellen.dadurchmutederschulerkeineeigenenobjekteinstantiieprogrammsubernimmtundesgestattet,mithilfedertastatur(cursorbeidervorgehensweisen,sodaineinererstenphasealleobjekteselbstinstantiiert,initialisiertundgezeichnetwerden(diekontrolleliegtvollbeim dieprogrammierungderklassenkonzentrieren.sinnvollisteinemischung

29 ObjektorientierteProgrammierung Schuler),undanschlieendeinKontroll-Objektvorgegebenwird.Einsolches 28 deneobjektedynamischverwalten. Funktionalitatvorzustellen,esmuteneuentstehendeundbereitsentstan- Kontroll-ObjektwarevomLehrerzurealisierenundalsBlack-Boxinseiner BesondersdeutlichwirddieNotwendigkeitneuerKonzepte,wenndieSchuler sieselbsterfahren.dazuwirdanalogobigereinfuhrungdasproblemgestellt,dascomputergeometriesystemzuentwickeln.stattimvorfeldden AlternativeEinfuhrung nedasproblemgenauzuanalysieren.dabeikonnensieselbstandigdurch direkteanwendungdienotwendigengrakbefehlewiederholen.wirddann problematisiert,da,sobaldzweikreisenacheinandergezeichnetwerden,die Aufwandzuklaren,sollendieSchulereinfach"drauosprogrammieren\,oh- Koordinatendeserstenunerreichbarsind,umihnbeispielsweisezuverschieben,wirddieKomplexitatderneueinzufuhrendenDatenstruktur,diedieses Problembehebensoll,sehrschnelldeutlich. wendigkeitneuerverfahrenentdecken,istrechtzeitaufwendigundwirddaher "nur\alsalternativebehandelt.dievorteileliegenaufderhand:selbstandig wirderinnert,selbstandigwirddienotwendigkeitaufgrundzuhoherkom- DieserWeg,beidemdieSchulerselbstwiederholenunddabeidieNotplexitaterkannt.AnschlieendkonnendieGrundstrukturenanhanddesProgrammfragmenteserarbeitetwerden,dieweitereVorgehensweisekanngenau wiebeschriebenerfolgen. Einarbeitung einfachschwarzubermaltwird.dashierzunotigewissenistklein,eswird seentwickeltenideenwerdendiemethodenhideundmovefurpunktefer- tiggestellt.dasversteckeneinespunkteswirdz.b.dadurchgelost,daer NacheinerkurzenBesprechungderweiterenVorgehensweiseundderzuHau- auerderideenurderbefehlzumzeichneneinespunktesgebraucht,diemethodekannanalogderzumzeichnenentstehen,ggf.sogarabkopiertundnur umbenanntwerden.dabeiwirdaufdieobjekt-attributezugegrien,undes istdurchausdenkbar,daschulerdiesmitnicht-objekt-eigenenmethoden dennnurwennschulerselbsterfahren,wasesheitdasdatengekapselt seltsindundvonaussenunzuganglichverborgenliegen,werdendieschuler imerstenansatzvermutlichscheitern.dieses"scheitern\erfolgtbewut, versuchen.dadieattributedurchdasschlusselwortprivateexplizitgekap- sind,erkennensiedievorteileundproblematisierendies.

30 ObjektorientierteProgrammierung Dieslatsichnutzen,gleichaufdieKapselungalswesentlichesKonzeptderObjektorientierungzusprechenzukommen,esbietetsichanauch gleichauffragendesdatenschutzesunddenvorteilfurdieanwendung nicht-selbst-erstellterklasseneinzugehen.danurautorisierteobjekt-eigene MethodenDatenausliefern,lassensichDatenwesentlicheinfachervorunerlaubterManipulationschutzen.Ebensowirdverhindert,daAttributeWerte verhindertwerden,dawertebereicheuberschrittenwerden.diekontrolle fureinzulesendedatenliegtnichtmehrbeimeingebenden,sondernbeim einlesendenobjekt. zugewiesenwerden,furdiesienichtausgelegtwurden,eskannz.b.leicht 29 einemweiterenattributversieht,dasentwederdiefarbeoderabereinen Zustand(sichtbar/unsichtbar)beinhaltet.Dannmushowgerufenwerden unddenpunktmitdergeandertenfarbeoderabermitderhintergrundfarbe Alternativistesmoglichhidesozurealisieren,damanPunktemit konventionellaufschwarz.esistauchmoglich,showalsparamterdiezu verwendendefarbezuubergeben,sodadiemethodehideaufeinezeile gekurztwerdenkann,ohnedashowwesentlichkomplexerwurde. ubermalen.dazumudiehintergrundfarbeeinheitlichfestgelegtwerden, Modellierung NachdemPunktealsgeometrischeObjektejetztweitgehendfertiggestellt mabesitzen,dasbeimkreisradius,beimquadrathalbegrundseiteheit. Dabeiwirdarbeitsteiligvorgegangen,eineGruppesuchtdiefurKreise,die sind,reichtdieerfahrungaus,umdieminiweltzumodellieren.dazuwird anderediefurquadratenotwendigendatenundstelltdiemethodenauf. festgestellt,dakreiseundquadratebeideeinenmittelpunktundeingrund- Eckpunktenotwendigsind.AnschlieendstellendieGruppensichgegenseitig DabeihilfteineentsprechendformulierteAufgabenstellung,daauch"Quadrat\miteinemPunktalsAufhangermodelliertwirdundnichtz.B.alle dieergebnissevor,eingunstigvorformatiertestafelbildodereinefoliehelfen,diegemeinsamkeitenzuerkennen.folglichlassensichsowohlkreisals auchquadratmitdengleichenattributenbeschreiben,werdenabervollig butemittelpunktundgrundmasssowiediemethodenmoveundhide,hat. unterschiedlichgezeichnet.zusatzlichistauchderflacheninhaltunterschiedlich,wieausklassenstufe10bekanntist.motiviertdurchdieeinsparungvon VonflaechewerdendannkreisundquadratmitjeweilseigenenMethoden weiterenprozedurenwirdeineneueklasseflaechegeschaen,diedieattri- showundinhaltabgeleitet. klasseflaechebegonnenwerdensollte.sinnvollistes,hidealsletzteszu DieseKlassenhierarchiewirddannimplementiert,wobeimitderOber-