Eine Unterrichtsreihe zur Einführung des objektorientierten Paradigmas im Anfangsunterricht des Faches Informatik in einer E-Phase an der

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1 Eine Unterrichtsreihe zur Einführung des objektorientierten Paradigmas im Anfangsunterricht des Faches Informatik in einer E-Phase an der Erich-Hoepner-Oberschule (Gymnasium)

2 Inhaltsverzeichnis

3 1. Einleitung

4 2. Globale fachliche Operationsobjekte Paradigma von de r Objektorientierung En tw icklu n gsu m ge bu n g Blu e J objektorientie rte P rogram m ie rsprach e J ava Welt Klassen- u n d Obje ktbe griff in de r 2.1. Objektorientierung Simula Objekt Attribute Methoden Klasse

5 Smalltalk Basiskonzepte Statische Konzepte Dynamische Konzepte Java Tab. 1: Klassifizierung der Konzepte im Bereich der Objektorientierung ([18]) 2.2. Die Entwicklungsumgebung BlueJ

6 Klassen-Fenster Objekt-Fenster Klasse Objekt Inspektor Zu stan d e in e s Obje kts Objekt- Attribute Methoden Eigenschaften von BlueJ im Vergleich vi javac java

7 Ebe n e h an dlu n gsorie n tie rte n Zu gan g au f ikonischer mit Objekten und Klassen Blu e J visu alisie rt dire kte In te raktion den Basiskonzepten der Objektorientierung nähern experimentell 2.3. Der Klassen- und Objektbegriff in der Welt

8 Klasse Objekt in de r We lt Gegenstand

9 3. Vorgaben für die Reihe 3.1. Der schulische Rahmen Allgemeine und organisatorische Bedingungen

10 Die Lerngruppe

11 Variablen Funktionsbegriff primitiven Typen Anweisung Zuweisung bedingte Anweisung, Wiederholungsanweisung Anweisungssequenz Blockstruktur Kommentare Blockeinrückung 3.2. Curriculare Vorgaben für die Reihe Fach in h alte de s e rste n Le rn jah re s Programmentwicklung (L2) Gru n dlage n de r Klasse, Attribut, Methode, Instanz Herstellung ausführbarer Modelle

12 3.3. Sachanalyse und didaktische Reduktion Zentrale Begriffe der Reihe Konstruktoren Objekte static nicht statisch Methoden

13 void Attribute Klassen Reduktionsentscheidungen Zugriffsmodifikatoren public protected private

14 Code-Layout Kom m e n tie ru n g von P rogrammcode Ein rü cke n von Code blöcken Weiterführende Konzepte und Techniken

15 4. Die Reihe 4.1. Kompetenzziele der Reihe Ziele des fachlichen Kompetenzaufbaus

16 Ziele des fächerübergreifenden Kompetenzaufbaus Ziele des methodischen und sozialen Kompetenzaufbaus 4.2. Konkrete Entscheidungen zum Aufbau der Reihe Unterricht handlungsorientierten

17 Klassen rau m zu verlassen Partnerarbeiten Leitfragen P oste r zu diesen

18 Aufbau de r Au fgabe nstellungen Kompetenzaufbaus m it Hilfe v o n B lu e J Sch ü le rh an dlu n ge n au f de r e n aktiv-ikon isch e n Ebe n e h an dlu n gsste u e rn de m Ch arakte r Au fgabe n m it Blu e J als Be le ginstanz

19 m it Blu e J abstrakte n Be griffe n experimentell nähern von de r An alyse de r Be ispie le au f die Bedeutung Übe rw indu n g von Lernhindernissen Hilfe n zu r Einarbeitung in die Be n u tzu n g de r En tw icklu n gsu m ge bu n g Blu e J Bedienschritte Referenzkarte

20 P rogram m ie rsprach e J ava Algorithmik im Kle in e n be kan n t gru n dle ge n de Be griffe de r Codeanalyse einfache Erweiterungen des Java-Quellcodes

21 Erzeugung und Ausführung von Java-Byte-Code nicht behandelt m e n sch e n le sbare r P ogram m code in au sfü h rbare n Masch in e n code ü be rse tzt aktivität h oh e Sch ü le r- Lehrerrolle m öglich st zu rü ckge zoge n, Be obachtung ermöglichend

22 4.3. Tabellarischer Überblick über die Planung der Reihe Aufgabe 1 (Gr. 1, Gr. 2) Aufgabe 2 und 3 Aufgabe 4 und 5 Aufgabe 6 Aufgabe 7 Aufgabe 8 Aufgabe 9 (Gr. 1, Gr. 2)

23 4.4. Funktion der Aufgaben für den Kompetenzaufbau Aufgabe 1 Bemerkungen zu Aufgabe 1 Aufgabe 2 (Objekte erzeugen, Methoden aufrufen) Kreis (auf dem Arbeitsblatt) sichtbarmachen() nachuntenbewegen() Quadrat Dreieck

24 Bemerkungen zu Aufgabe 2 Aufgabe 3 (Objekte inspizieren) Quadrat Quadrat (in die obere linke Ecke der Leinwand) xposition yposition Quadrat Quadrat Bemerkungen zu Aufgabe 3 objektorientie rte n Mode lle n Be sch re ibu n g de r Fu n ktion de r Attribu te in

25 Aufgabe 4 (Methodenaufruf analysieren) Experiment Graphik zur Aufgabe 4 Quadrat farbeaendern( gruen ) Quadrat farbeaendern( gruen ) Bemerkungen zu Aufgabe 4 Abb. 1: Von den Lernenden zu Aufgabe 4 auszufüllende Graphik (hier zur Übersicht der Struktur des Arbeitsblatts angegeben) Aufgabe 5 (Bedeutung/ Funktion von Methoden und Klassen) Quadrat

26 Bemerkungen zu Aufgabe 5 Aufgabe 6 (Codeanalyse einer Java-Klasse) Quadrat Figuren.1.1 Bemerkungen zu Aufgabe 6 Quadrat nur zu benennen und später zu behandeln kursiv o JavaDoc-Kommentar Zugriffsmodifikatoren (public, private)

27 Aufgabe 7 (Eine Klasse um eine Methode erweitern) Editieren Quadrat public void horizontalbewegen(int entfernung) Quadrat entfernung entfernung Übersetzen Compile Tools Rebuilt Package Testen ausführen Zur weiteren Übung: public void vertikalbewegen(int entfernung) Bemerkungen zu Aufgabe 7 Dreieck Quadrat Kreis Editie re n de r Klasse

28 Codes Übe rse tze n de s ge än de rte n Testen Aufgabe 8 (Noch eine Methode hinzufügen) Quadrat Quadrat aenderegroesse int neuelaenge aenderegroesse Aufgabe 7 public void horizontalbewegen(int entfernung) aenderegroesse(......) Quadrat groesseaendern Quadrat groesseaendern

29 Bemerkungen zu Aufgabe 8 Aufgabe 9, Gr. 1 (Poster erstellen) Klasse Objekt Welt Verhältnis zur realen Aufgabe 9, Gr. 2 (Poster erstellen) innere Struktur von Objekten Bemerkungen zu Aufgabe 9

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31 5. Die Durchführung der Reihe Bericht über die erste Stunde 5.1. Die 2. Stunde: Erster Kontakt mit BlueJ und Java

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33 xposition yposition Quadrat Bericht über die zwei nachfolgenden Stunden

34 public private void 5.2. Die 5. Stunde: Erstmals mit BlueJ eine Java-Klasse ändern

35 m e h re re kom pe te n te Te ilh an dlu n ge n Abb. 3

36 nachrechtsbewegen() { loeschen(); xposition = xposition + 10; zeichnen(); } horizontalbewegen(int distanz) {...(); xposition = ;...(); } Abb. 2: 1. Hilfe-Information zu Aufgabe 6 Übersetzen Bericht über die nachfolgende Stunde

37 5.3. Die 7. Stunde: Vernetzung der Bergiffspaare Gruppe 1: Gruppe 2:

38 Gruppe 1 und 2:

39 Bericht über das, was im Anschluss geschah

40 5.4. Die Lernzielkontrolle Test Grundlegende Fertigkeiten Fortgeschrittenere Fertigkeiten Tab. 2: Prüfungsbereiche des Tests Test zur Einführung in die Objektorientierung Aufgabe 1 (S iehe dazu die Graphik im Anhang) tanken(int fuellmenge)

41 Aufgabe 1 (Fortsetzung) Aufgabe 2 (S iehe dazu die Graphik im Anhang) Auto Objekt landcruiser tanken 250 Ergebnisse dieses Tests Abb. 3 Abb. 4

42 Abb. 3: Kenntnis der Basiskonzepte (Testnote im oberen Bereich) Abb. 4: Kenntnis der Basiskonzepte (Testnote im mittleren Bereich)

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44 6. Abschließende Reflexion Wie haben die Lernenden auf den Unterricht reagiert?

45 Wie wurden meine Planungsziele erreicht?

46 Was zu verbessern ist

47 Literatur

48 Anlagen import java.awt.rectangle; public class Quadrat { private int groesse; private int xposition; private int yposition; private String farbe; private boolean istsichtbar; /** * Erzeuge ein neues Quadrat mit einer Standardfarbe an einer Standardposition. */ public Quadrat() { groesse = 40; xposition = 60; yposition = 40; farbe = "rot"; istsichtbar = false; } /** * Mache dieses Quadrat sichtbar. Wenn es bereits sichtbar ist, dann tue nichts. */ public void sichtbarmachen() { if (istsichtbar == false) { istsichtbar = true; zeichnen(); // Methodenaufruf } } /** * Mache dieses Quadrat unsichtbar. Wenn es bereits unsichtbar ist, dann tue nichts. */ public void unsichtbarmachen() { if (istsichtbar == true) { loeschen(); istsichtbar = false; } } /** * Ändere die Farbe dieses Kreises in 'neuefarbe'. * Gültige Angaben sind "rot", "gelb", "blau", "gruen", "lila" und "schwarz". */ public void farbeaendern(string neuefarbe) { farbe = neuefarbe; zeichnen(); } /** * Bewege dieses Quadrat um einige Bildschirmpunkte nach rechts. */ public void nachrechtsbewegen() { loeschen(); xposition = xposition + 20; zeichnen(); }... } // end class Anl. 1: Code der Klasse Quadrat (Fragment)

49 In b (11.1) Grundlegende Operationen in BlueJ: Objekte erzeugen, Methoden ausführen, Objekte inspizieren Objekte erzeugen Im BlueJ Hauptfenster eines Projekts: 1. Schritt: Rechter Mausklick auf eine Klasse 2. Schritt: Namen des Objekts wählen... Objekt-Leiste: Anzeige der Objekte Klassen-Fenster: Darstellung der Java-Klassen Konvention: Klassen-Namen beginnen mit Großbuchstaben Ergebnis: Objekt wird erzeugt und in der Objekt-Leiste angezeigt Konvention: Objekt-Namen beginnen mit Kleinbuchstaben Methoden aufrufen 1. Schritt: Rechter Mausklick auf ein Objekt Objekte inspizieren mit dem... Inspect im Kontext-Menü eines Objekts aufrufen...objekt-inspektor Methoden Werte der Attribute 2.Schritt: Ausführen einer Methode durch linken Mausklick. startet den Objekt-Inspektor Anl. 2: R efer enzk a r te d er gr u n d legen d en Bed ien sch r it te in BlueJ Attribute

50 Klassen und Objekte (Gr. 1) Klassen und Objekte (Gr. 2) Innere Struktur von Objekten (Gr. 3) Innere Struktur von Objekten (Gr. 4) Anl. 3: Von den Lernenden erstellte Poster z u d en Th em en In n er e Struk t u r von Objek ten u n d Kla ssen u n d Objek t e

51 In b (11.1) Konzepte objektorientierter Programmiersprachen I Klassen und Objekte 1 Wenn Sie ein Computerprogramm in einer objektorientierten Sprache, also zum Beispiel Java, schreiben, dann erstellen Sie in Ihrem Computer ein Modell eines Ausschnitts der realen Welt. Dieser Ausschnitt setzt sich aus den Objekten zusammen, die Sie zur Modellierung der Sie interessierenden Bestandteile der realen Welt für nötig halten. Diese Objekte müssen letztlich in dem zu erstellenden Computermodell geeignet dargestellt werden. Darum geht es im Folgenden. Zunächst gilt unabhängig von unserer informationstechnischen Fragestellung, dass Objekte kategorisiert, also in Kategorien eingeteilt werden können. Eine Klasse beschreibt auf abstrakte Weise alle Objekte einer Kategorie. Dies ist auch die Beziehung, die zwischen einer Java-Klasse und den Objekten zu dieser Java-Klasse besteht. Die Java-Klasse ist sozusagen die Bauanleitung für die Objekte zu dieser Java-Klasse. Machen wir uns diese abstrakten Aussagen am Beispiel klarer: Es ist eine Klasse Auto zu modellieren und uns interessiert, warum auch immer, nur das Folgende zur Bewältigung unserer Aufgabe: Mein Auto ist blau und hat fünf Türen, vier Räder und ein Autoradio ist eingebaut. Mein Auto hat also die Eigenschaften Farbe = blau ; Räderzahl = 4 ; Türenzahl = 5 ; hatradio = wahr Jede solche Eigenschaft (Farbe, Räderzahl, Türenzahl,...) nennt man Attribut der Klasse, oder auch Datenfeld bzw. Feld der Klasse. Für mein Auto, also ein Objekt zu dieser Klasse, nehmen diese Attribute die oben angegebenen Werte an. Die interessierenden Eigenschaften werden in natürlicher Weise von Anwendung zu Anwendung variieren und bei einer anderen Aufgabenstellung könnten auch andere Details wie Motorleistung, Benzinstand, Tankvolumen und Kilometerstand wichtig sein. Es gibt einige Funktionen meines Autos, die für unsere Anwendung wichtig sind: Das Licht kann ein- oder ausgeschaltet werden. Das Radio ein- oder ausgeschaltet werden. Man kann vorwärts und sogar rückwärts fahren. Konzept: Java-Objekte modellieren Objekte eines Anwendungsbereichs. Konzept: Java-Objekte werden durch Klassen erzeugt. Eine Klasse beschreibt eine bestimmte Art von Objekten. Jede solche Funktion nennt man Methode der Klasse. Methoden können auf Objekte zu der Klasse angewandt werden. Auch die Methoden, die für eine Klasse gefordert werden, hängen von der vorgelegten Aufgabenstellung ab und werden in natürlicher Weise je nach Aufgabenstellung variieren. Aufgabe 9, Gr. 1 (Poster erstellen) Erstellen Sie ein Poster zu den Begriffen Klasse und Objekt in objektorientierten Programmiersprachen (z. B. Java mit Java-Klassen und Java-Objekten). Stellen Sie das Verhältnis von Java-Klassen und Java-Objekten zur realen Welt dar. Zusatz: Gehen Sie auch darauf ein, wo diese Begriffe in der Entwicklungsumgebung BlueJ wieder zu finden sind. 1 Quellen: R. Ley: Praktische Informatik mit Java, Berlin (2002) [S. 53] (verändert); D. J. Barnes, M. Kölling: Objektorientierte Programmierung mit Java Eine praxisnahe Einführung mit BlueJ, München (2003) [S ] (verändert) An l. 4: Fa chtext z u m Them a Kla ssen u n d Objek t e

52 In b (11.1) Konzepte objektorientierter Programmiersprachen II Das Innenleben eines Objekts Bei Untersuchungen verschiedener Objekte stellen wir fest, dass alle Objekte zu derselben Klasse auch die gleichen Attribute (auch Datenfelder oder kurz Felder genannt) haben. Das heißt, Anzahl, Typen und Namen der Attribute sind gleich, während der aktuelle Wert eines Attributs in jedem Objekt anders sein kann. Im Unterschied dazu haben Objekte unterschiedlicher Klassen auch unterschiedliche Konzept: Attribute speichern die Daten, die ein Objekt benutzt. Attribute. Ein Objekt zur Klasse Kreis hat das Attribut durchmesser, während ein Objekt zur Klasse Dreieck die Attribute breite und hoehe hat. Dies ist deshalb so, weil Anzahl, Typen und Namen von Attributen durch die Klasse definiert sind, nicht in einem Objekt. Die Klasse Kreis definiert, dass jedes Kreis-Objekt fünf Attribute hat, und zwar durchmesser, xposition, yposition, farbe und istsichtbar. Sie legt auch fest, welche Typen diese Attribute haben. Die ersten drei sind vom Typ int, farbe ist vom Typ String, und istsichtbar ist vom Typ boolean. Konzept: Eine Klasse, viele Objekte. Von einer Klasse können viele gleichartige Objekte erzeugt werden. Eine Klasse und ihre Objekte mit Attributen und Werten Das Gleiche gilt für Methoden. Die Methoden werden in der Klasse eines Objekts definiert. Folglich haben alle Objekte einer gegebenen Klasse die gleichen Methoden. Aber die Methoden werden an konkreten Objekten aufgerufen. Auf diese Weise ist stets eindeutig klar, welches Objekt seinen Zustand (Zustand des Objekts = Wertebelegung der Attribute des Objekts) ändern muss, wenn beispielsweise die Methode nachrechtsbewegen() aufgerufen wird. Aufgabe 9, Gr. 2 (Poster erstellen) Stellen Sie die innere Struktur von Objekten einer Klasse auf einem Poster dar. Gehen Sie auch darauf ein, wo diese Strukturen in der Entwicklungsumgebung BlueJ wieder zu finden sind. Quelle: D. J. Barnes, M. Kölling: Objektorientierte Programmierung mit Java Eine praxisnahe Einführung mit BlueJ, München (2003) [S ] (verändert) An l. 5: Fa chtext z u m Them a In n er e S t r u k t u r von Objek t en Konzept: Wir können mit Objekten kommunizieren, indem wir ihre Methoden aufrufen. Ein Objekt tut üblicherweise etwas, wenn eine seiner Methoden aufgerufen wird.

53 In b (11.2) Klasse und Objekt Klasse und Objekt... Klasse und Objekt... entsteht durch sie beschreiben sie beschreiben erfüllen Der... eines... wird durch seine... genau festgelegt. Aufgabe 10 1) Ergänzen Sie die Textlücken! 2) Benennen Sie Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den Begriffen Klasse/ Objekt in der Welt und Klasse/ Objekt in einer objektorientierten Programmiersprache auf dem Rechner! Anl. 6: Zusätzliches Arbeitsblatt zur Vernetzung von Klasse/ Objekt in der Welt und in der virtuellen Welt

54 In b (11.1) Test im Fach Informatik Name: Aufgabe 1 (1) Benennen Sie die nachfolgend bezeichneten Bestandteile des Codes einer Klasse in Java. (2) Geben Sie in Java den Code einer sinnvoll definierten Methode tanken(int fuellmenge) für die Klasse Auto an. Ergänzen Sie dazu das oben angegebene Codefragment. (3) Nachfolgend ist die Entwicklungsumgebung BlueJ direkt nach der Codeänderung der Klasse Auto zu sehen. Wie gehen Sie in BlueJ vor, um die Klasse Auto nach der Codeänderung zu testen? Anl. 7: Der Test über die Inhalte der Reihe (1. Seite)

55 Erklärung