Programmierkonzepte in der Physikalischen Chemie

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1 Programmierkonzepte in der Physikalischen Chemie 1. Motivation nhalte und Struktur des Kurses Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Dr. Till Biskup nstitut für Physikalische Chemie Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Wintersemester 2013/14

2 Übersicht Motivation Wiederverwertbaren Code schreiben Möglichkeiten der Programmierung ausnutzen nhalte und Struktur des Kurses Grundlegende Konzepte an realen Beispielen Matlab als Sprache der Wahl Frontal statt hands on Freiwillige Beispielaufgaben Zielgruppe Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 2 / 32

3 Motivation Warum ein Methodenkurs Programmierkonzepte? Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 4 / 32

4 Motivation Hilfe zur Selbsthilfe: Vermittlung allgemeiner Konzepte Hilfe zur Selbsthilfe Gerade in der Physikalischen Chemie hat man in der Regel mit gemessenen Daten und deren Verarbeitung zu tun. Da die Verarbeitung meist im Computer erfolgt, ist Programmierung ein wesentlicher Bestandteil. Oft fehlt den Beteiligten aber das Wissen über allgemeine Programmierkonzepte, die das Leben mitunter sehr vereinfachen können. * Vermittlung allgemeiner Programmierkonzepte, die sich universell einsetzen lassen. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 5 / 32

5 Motivation Qualitätsstandards und damit Wiederverwertbarkeit sicherstellen Minimale Qualitätsstandards sicherstellen Diejenigen, die Programme schreiben, sind meist nicht langfristig in Arbeitskreisen (in der Regel maximal für die Dauer einer Doktorarbeit). Der jeweilige Arbeitskreis hat ein nteresse, ein Minimum an Qualitätsstandard bei den Programmen sicherzustellen. Nur so ist es möglich, daß andere die Programme übernehmen und weiterpflegen. * Code wird in der Praxis viel zu häufig neu geschrieben aufgrund mangelnder Wiederverwertbarkeit. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 6 / 32

6 Motivation Qualitätsstandards und damit Wiederverwertbarkeit sicherstellen Qualitätsstandards Qualität der Dokumentation Robustheit des Codes Übersichtlichkeit des Codes * Jeder dieser Aspekte wird in den folgenden Stunden ausführlicher beleuchtet werden. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 7 / 32

7 Wiederverwertbaren Code schreiben Zwei Konzepte Grundlegend zwei Konzepte: 1 ein Skript für jeden Datensatz 2 eine Toolbox aus Funktionen, die generisch jeden Datensatz verarbeiten kann * Beide Konzepte haben Vor- und Nachteile. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 8 / 32

8 Wiederverwertbaren Code schreiben Ein Skript für jeden Datensatz Skripte Vorteile Ein Skript enthält (idealerweise) alle Befehle für die Verarbeitung bis zur fertigen Abbildung. Das Skript liegt bei den Rohdaten. Auch nach langer Zeit kann die identische Abbildung durch einen einzigen Befehl neu generiert werden. Es ist jederzeit vollständig nachvollziehbar, wie die Rohdaten verarbeitet wurden. deal für eine einzelne, schnelle Auswertung Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 9 / 32

9 Wiederverwertbaren Code schreiben Ein Skript für jeden Datensatz Skripte Nachteile viele Doppelungen gleicher Code wird viele Male geschrieben/kopiert Änderungen in einem Skript müssen manuell in andere Skripte eingepflegt werden, die die gleiche Aufgabe durchführen. unübersichtlich Welches Skript war das neueste? Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 10 / 32

10 Wiederverwertbaren Code schreiben Generische Toolbox Toolbox Vorteile Code wird nur einmal geschrieben. DRY Don t Repeat Yourself Bei modularem Aufbau sehr flexibel Bietet die Möglichkeit einfach zu bedienender (graphischer) Nutzerschnittstellen Sehr gut geeignet für sich häufig wiederholende gleiche oder ähnliche Auswertungen Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 11 / 32

11 Wiederverwertbaren Code schreiben Generische Toolbox Toolbox Nachteile Verarbeitungsschritte der Rohdaten aus den verarbeiteten Daten nicht ohne Weiteres ersichtlich Verlust der Reproduzierbarkeit: Durch Veränderungen einzelner Funktionen läßt sich eine Abbildung ggf. nach Jahren nicht mehr reproduzieren. Trennung von Toolbox und Rohdaten Zur nochmaligen Auswertung muß immer auch die Toolbox installiert werden. * (Fast) alle Nachteile lassen sich beheben. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 12 / 32

12 Wiederverwertbaren Code schreiben Zwei Konzepte Grundlegend zwei Konzepte: 1 ein Skript für jeden Datensatz 2 eine Toolbox aus Funktionen, die generisch jeden Datensatz verarbeiten kann * m Rahmen dieses Methodenkurses wird das Konzept der Toolbox vorgestellt und erläutert werden. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 13 / 32

13 Wiederverwertbaren Code schreiben Weitere Aspekte Wiederverwertbar heißt auch: verständlich, gut dokumentiert, übersichtlich Eine andere Person kann die Pflege des Quellcodes übernehmen. * Die Begri e verständlich, gut dokumentiert und übersichtlich werden im Rahmen dieses Methodenkurses detaillierter behandelt werden. * Code wird in der Praxis viel zu häufig neu geschrieben aufgrund mangelnder Wiederverwertbarkeit. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 14 / 32

14 Möglichkeiten der Programmierung ausnutzen Welche Möglichkeiten bietet Programmierung? Programmierung bietet viele Möglichkeiten, u.a.: Automatisierung Modularisierung * Automatisierung und Modularisierung sprechen beide für das Konzept der Toolbox. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 15 / 32

15 Möglichkeiten der Programmierung ausnutzen Automatisierung ABB via Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 16 / 32

16 Möglichkeiten der Programmierung ausnutzen Automatisierung Satz Computer sind dumm, aber fleißig. Satz Wissenschaftler sind intelligent, aber faul. * Automatisierung ist das Gebot der Stunde. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 17 / 32

17 Möglichkeiten der Programmierung ausnutzen Automatisierung Beispiele, was sich gut automatisieren läßt: regelmäßig wiederkehrende Aufgaben Einlesen von Daten immer gleiche Prozessierungsschritte Dokumentation der Prozessierung von Daten Jeder einzelne Verarbeitungsschritt der Daten wird automatisch mitgeschrieben. Ein gut geführtes Laborbuch enthält genau das... aber: Menschen tendieren zu Faulheit. (s.o.) * Der Methodenkurs wird viele konkrete Beispiele für die Automatisierung liefern. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 18 / 32

18 Möglichkeiten der Programmierung ausnutzen Modularisierung Alan Chi, Flickr Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 19 / 32

19 Möglichkeiten der Programmierung ausnutzen Modularisierung Unix-Prinzip: eine Aufgabe, eine Funktion Strikte Trennung zwischen Datenverarbeitung und Nutzerschnittstelle Code wird nur einmal geschrieben. DRY Don t Repeat Yourself * Toolboxen erhalten ihre Flexibilität und Qualität durch Modularisierung. * Das Thema Modularität wird nächste Woche ausführlich behandelt werden. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 20 / 32

20 nhalte und Struktur des Kurses Worum geht es im Methodenkurs Programmierkonzepte?! Methodenkurs! Programmierkonzepte!in!der!Physikalischen!Chemie!! Einführung!grundlegender!Programmierkonzepte! am!beispiel!von!matlab!!!! Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 22 / 32

21 nhalte und Struktur des Kurses Worum geht es im Methodenkurs Programmierkonzepte? nhalte und Struktur Grundlegende Programmierkonzepte an realen Beispielen aus der Praxis einführen Matlab als Programmiersprache der Wahl (für diesen Kurs) Frontal statt hands on Zu jedem Thema gibt es vertiefende Aufgaben, deren Bearbeitung freiwillig ist. Voraussetzungen Grundkenntnisse im Programmieren Grundkenntnisse in der Bedienung von Matlab Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 23 / 32

22 Grundlegende Konzepte an realen Beispielen Eine erste Übersicht über behandelte Konzepte Modularität Dokumentation (im Code) nfrastruktur rund um die Entwicklung von Code (Versionierung, Bug-Verwaltung, Dokumentation) Robuster Code Schneller Code Verarbeitung von Daten Nutzerschnittstellen (CL, GU) Toolboxen Programmentwicklung (Versionsnummern, Meilensteine, Projektdokumentation) Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 24 / 32

23 Matlab als Sprache der Wahl Warum Matlab? Gründe für die Wahl von Matlab Matlab ist ein de-facto-standard zur Datenverarbeitung in den Natur- und ngenieurswissenschaften. Matlab ist über eine Landeslizenz (in Ba-Wü) verfügbar. Matlab eignet sich gut zur Verarbeitung und Auswertung von Daten in der Physikalischen Chemie. Matlab bietet einfache und schnelle Möglichkeiten zur Darstellung von Daten. Die u.a. an C angelehnte Programmiersprache ist einfach zu erlernen und sehr mächtig. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 25 / 32

24 Matlab als Sprache der Wahl Warum Matlab? Anmerkungen Matlab ist nicht allein glückselig machend. Matlab ist ein kommerzielles Produkt. Eine nichtakademische Lizenz ist sehr teuer. Die Landeslizenz ist zeitlich befristet. Sparsamer Umgang mit kommerziellen Toolboxen ist deshalb das Gebot der Stunde! Programmierkonzepte lassen sich nur sinnvoll anhand einer konkreten Programmiersprache vorstellen. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 26 / 32

25 Frontal statt hands on Vorstellung von Konzepten zur eigenen konkreten Anwendung Viele Konzepte sind zunächst einmal abstrakt. Reale Beispiele aus eigener Erfahrung werden die Konzepte erläutern und vertiefen. Die Umsetzung der Konzepte ist in vieler Hinsicht eine Frage der persönlichen Disziplin. Freiwillige Beispielaufgaben dienen der Vertiefung. * Rückfragen und die Diskussion an konkreten Beispielen aus dem Publikum sind natürlich erwünscht. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 27 / 32

26 Freiwillige Beispielaufgaben Vertiefung der vorgestellten abstrakten Konzepte Zu jedem Thema gibt es vertiefende Aufgaben. Die Bearbeitung ist rein freiwillig. Viele Wege führen nach Rom: Es gibt meist nicht die eine Lösung. Rückfragen sind natürlich jederzeit möglich. Auf Wunsch kurze Besprechung der Aufgaben anhand der Musterlösungen jeweils in der Folgewoche. Homepage zur Veranstaltung Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 28 / 32

27 Zielgruppe Für wen ist der Methodenkurs Programmierkonzepte? Doktoranden und Studenten in höheren Semestern mit Grundkenntnissen im Programmieren Grundkenntnisse im Programmieren sind Voraussetzung, nteresse an konzeptionellen Überlegungen erwünscht. * Jeder, der größere Auswertungen mit dem Computer durchführen möchte/muss und dabei keine black boxes verwenden möchte. Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 30 / 32

28 Zielgruppe Und was, wenn ich mich hier fehl am Platze fühle? Einführender Methodenkurs Anwendung von Mathematica und Matlab in der Physikalischen Chemie Datum Dozenten Stefan Weber, Till Biskup nhalte Einführung in die beiden Programmpakete, Verwendung in der Physikalischen Chemie Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 31 / 32

29 Ausblick Das war s. Wie geht s weiter? So long, and thanks for all the fish. Vorschau: Allgemeines Kenne Deine Programmiersprache richtiger/sinnvoller Editor klare und sinnvolle Verzeichnisstrukturen Matlab in fünf Minuten Douglas Adams Wintersemester 2013/14 T. Biskup Programmierkonzepte in der PC (1) 32 / 32