Soll und kann ich mit Java programmieren?

Kolloquium Informatik und Unterricht, Wintersemester 2007 Soll und kann ich mit Java programmieren? Aegidius Plüss, Bern www.aplu.ch Original: www.aplu.ch/kolloquium Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Arbeitsthesen, Preconditions Programmieren • Gibt eine fundamentale Einsicht in die Kerninformatik • Ist nicht ICT, Programmierkenntnisse sind für die meisten Computerbenützer unnötig • Ist für viele Webdesigner, Mathematiker, Natur-wissenschafter und Ingenieure notwendig • Entwickelt ganz allgemein die intellektuellen Fähigkeiten und das Problemlösungsverhalten • Fördert die Phantasie und macht Spass • Gehört in den Unterricht, insbesondere im Gymnasium (Ergänzungsfach, Grundlagenfach?) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Inhalt • Teil: Tabula rasa • Wir beginnen von ganz vorne, ohne Vorurteile • Wir sind "erblich" (von unseren eigenen Lehrpersonen) unbelastet • Teil: Programmier-Paradigmen • Was ist Programmieren? • Prozedurale Programmierung, Kapselung • Datentypen, streng typisierte Sprachen • Formularorientierte Programmierung • Teil: To OOP or not to OOP, that is the question • Falls GUI, keine Alternative! • Optimales methodisches Vorgehen: • Zuerst ohne OOP, dann OOP hinzufügen • OOP von Anfang an Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Inhalt • Teil: Eignet sich Java als Unterrichts- und Einsteigersprache? • Wahl der IDE • Anatomie eines Java-Programms • OOP in fünf Minuten • Vermeidung von Vorwärtsbezügen • Didaktische Klassenbibliotheken • Teil: Einstiegsvarianten • Teil: Sample Session: OOP mit Java • Teil: Diskussion (hoffentlich heftiger Protest) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

1. Teil: Tabula rasa • Die Informatik hat zwar eine historische Dimension. Lehrplan und Methodik eines Programmierkurses snd nicht daran zu orientieren (Hinweise genügen) • Die meisten Lehrpersonen sind durch ihren eigenen Wertegang, ihre Kenntnisse und ihre Vorlieben vorbelastet (Hardware-Plattform, Einsatzgebiet, Be-triebssystem, Entwicklungsumgebung, Programmier-sprache). Junge Menschen sind unbelastet • Computer sind ausschliesslich sequentielle Maschinen. Diese Vorstellung ist falsch: Ereignisgesteuerte Pro-gramme, Threads, Client-Server-Systeme Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Was ist Programmieren? • Programmieren bezeichnet die Tätigkeit, Computer-programme (Software) zu erstellen (sehr pragmatisch, was sind Computerprogramme?) • Programmieren ist die Umsetzung von Algorithmen in eine computerlesbare Form (etwas vornehm, der meiste Code besteht nicht aus Algorithmen, was sind Algorithmen?) • Programmieren ist eine Kunst... Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

2. Teil: Programmier-Paradigmen Prozedurale Programmierung, Kapselung • Programme sollten lediglich die drei Grundstrukturen Sequenz, Selektion, Iteration aufweisen(Böhm, Jacopini, 1966) • Programme sollten aus funktionalen Blöcken (klassisch: Prozeduren, Funktionen, Methoden, Subroutinen; modern: Module, Objekte) bestehen, deren Schnittstelle klar beschrieben wird, und die interne Daten vor dem Zugriff schützen (Geheimnisprinzip, Kapselung). Sie sollten möglichst keine Veränderung an äusseren Daten vornehmen (keine Seiteneffekte) • Wichtige Begriffe: globale und lokale Variable, formale und aktuelle Parameter, Werte- und Variablenparameter Dominiert das Programmieren seit 50 Jahren bis zum heutigen Tag! Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Prozedurale Programmierung, Kapselung Interface (Loch in Schutzhülle) Kapsel (Haut schützt) Methoden (Würmer) Daten (Fruchtfleisch, Kerne) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Beispiel: PHP Anwendungslogik <?php function getMax($a, $b) { if ($a > $b) return $a; return $b; } if (isset($_GET["Submit"])) { $a = $_GET["ta"]; $b = $_GET["tb"]; $result = getMax($a, $b); } ?> <html><body> <form name = "form1" method = "get"> <p>1. Zahl: <input type="text" name = "ta" value = "<? echo $value1 ?>"></p> <p>2. Zahl: <input type="text" name = "tb" value = "<? echo $value2 ?>"></p> <p>Resultat: <input type="text" name = "tr" value = "<? echo $result ?>" ></p> <p><input type="submit" name = "Submit" value = "Submit"> </p> </form></body></html> Präsentationslogik Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

PHP, einige Fragen... • Ist PHP weit verbreitet? Brauchst Du es? • Ist PHP einfach? (Ist Java, C++, usw. einfach?) • Ist PHP wesentlich anders als andere prozedurale Programmiersprachen (Syntax, Semantik)? • Ist PHP eine universelle höhere Programmiersprache? • Ist es gut, dass man erst dann mit dem Erlernen einer Programmiersprache beginnt, wenn man für eine Website PHP braucht? • Wieviel Zeit verbratet man mit dummen Fehlern in PHP, wenn man keine Ahnung vom Programmieren hat? • Umgekehrt: Wie schnell hat man PHP im Griff, wenn man vorher die Grundprinzipien des Programmierens kennt? "PHP ist ein performanter Hack!" Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Datentypen, streng typisierte Sprachen • Streng typisiert:Eine Variable besitzt einen zur Compilationszeit festgelegten Datentyp. Es können ihr nur Werte von diesem Datentyp zugewiesen werden • Nicht typisiert:Eine Variable erhält zu Laufzeit den Datentyp des zugewiesenen Werts Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Typisierte versus nicht typisierte Sprachen Vorteile Nicht typisierte Sprachen • Für den schnellen Einstieg und das schnelles Prototyping gut geeignet • Meist Interpreter, einzelne Anweisungen können als Test ausgeführt werden • Als Zusatz zu bestehenden Systemen geeignet: Scriptsprachen, Websprachen Typisierte Sprachen • Häufige Programmierfehler werden zur Compilationszeit angezeigt (sind Syntaxfehler) • Datentypen spielen insbesondere in der OOP eine fundamentale Rolle (Klassen sind Datentypen) • Für robuste, fehlertolerante System geeignet Nachteile • Aufwändiger, das Typcasting (Umwandlung von Typen) ist anspruchsvoll • Am Anfang etwas gewöhnungs- bedürftig, da in der Mathematik keine Typenbindung von Variablen • Viele dumme, aber auch heikle Programmierfehler werden erst zu Laufzeit (oder nie) gemerkt • Der Datentyp ist zentraler Begriff einer Programmiersprache. Er wird als sekundär betrachtet Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Formularorientierte Programmierung = "neues" Paradigma? • Visual Basic verdankt seinen Erfolg: • Nachfolger altgedienter Interpreter (Turbo Basic, QuickBasic, Comodore Basic, usw.) • Formularbasierte Entwicklungsumgebung zur schnellen interaktiven Erstellung von GUI-Applikationen • Integration in die .NET-Sprachen, zusammen mit C++ und C# • Gratis-Version der Entwicklungsumgebung "Visual Studio Express" • Formularorientierte Programmierung ist • eventgesteuert, d.h. gemäss der Programmstruktur:"wann immer das Ereignis eintritt, dann tue..." • objektorientiert: GUI-Elemente besitzen • Eigenschaften (Attribute, Properties, Instanzvariablen) • Verhalten (Subroutines, Methoden, Prozeduren, Funktionen, Operationen) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Beispiel: VB.NET Installation von Visual Studio Express gemäss Anhang. VB Sample Session: Private Sub Button1_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Button1.Click Dim value1 As String Dim value2 As String Dim a As Integer Dim b As Integer value1 = TextBox1.Text value2 = TextBox2.Text a = CInt(value1) b = CInt(value2) TextBox3.Text = CStr(Ggt(a, b)) End Sub Private Function Ggt(ByVal a As Integer, ByVal b As Integer) As Integer If b = 0 Then Return a End If Return Ggt(b, a Mod b) End Function Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Visual Basic, einige Fragen • Ist VB weit verbreitet? (MS-Windows only) • Ist VB einfach? • Ist die Syntax von VB modern? • Ist VB eine volle objektorientierte Programmiersprache? • Wie schnell kann man unter VB animierte Grafik machen (z.B. Julia-Menge)? • Ist in der Ausbildung die Ausrichtung auf formular-orientierte Programmierung statthaft? Wo sind die klassischen sequentiellen Abläufe? Dieselben Fragen könnte man bezüglich Delphi/Lazarus stellen... (mit etwas unterschiedlichen Antworten) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

3. Teil: To OOP or not to OOP Shakespeare's Hamlet: To be, or not to be: that is the question: Whether 'tis nobler in the mind to suffer The slings and arrows of outrageous fortune, Or to take arms against a sea of troubles, And by opposing end them? To die: to sleep; No more • OOP gehört zu den grundlegenden Informatikkenntnissen • Falls GUI- und Fensterprogrammierung, ist OOP eine Notwendigkeit! • Hybride Sprache: zuerst ohne OOP/GUI, dann hinzufügen? (Typisch C/C++) • Zwei Sprachen: zuerst Pascal, LOGO, Scriptsprache, dann OOP/GUI? Sein oder Nichtsein; das ist hier die Frage: Obs edler im Gemüt, die Pfeil und Schleudern Des wütenden Geschicks erdulden oder, Sich waffnend gegen eine See von Plagen, Durch Widerstand sie enden? Sterben - schlafen Nichts weiter! Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

4. Teil: Eignet sich Java im Unterricht? These:Java ist eine Programmiersprache, die den Ansprücheneiner modernen Unterrichtssprache gerecht wird, und dies aus folgenden Gründen: • Setzt man didaktische Programmbibliotheken ein, so ist der Einstieg sanft und motivierend (Turtle, Grafikfenster) Ja, Sie können sich an Java heran wagen... • Java ist die Programmiersprache mit der grössten Zahl von Lehrbüchern und Online-Beiträgen • Java wird weltweit an Lehrinstitutionen am häufigsten eingesetzt • Java ist auf alle üblichen Plattformen (Mac, Windows, Linux) gleichartig einsetzbar (sogar gleiche IDE) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Wahl der Entwicklungsumgebung (IDE) • Die IDE ist die erste und dann die tägliche Berührung mit der Programmiersprache. Besonders geeignet: • NetBeans (www.netbeans.org) • Eclipse (www.netbeans.org) • JCreator (www.jcreator.com) • Online-Editor PHBern (www.java-online.ch) • Meine bevorzugte IDE: NetBeans • kostenlos • mehrere Sprachversionen (auch Deutsch) • mehrere Plattformen (Linux, Mac, Windows) • intelligenter Editor (automatische Syntaxprüfung) • hervorragender GUI-Builder • Kurzanleitungen: www.netbeans.org, www.aplu.ch/forum Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Online-Editor (www.java-online.ch) • Praktisch kein Installations-aufwand (nur JRE) • Basiert auf Applets und WebStart • Integrierte, im Unterricht er-probte Lernprogramme • auch zum Selbststudium • Quellcode kann im Editor übernommen und ausgeführt werden • Entwicklungsumgebung für Lego-Robotik (Edit/Compile/Download) • Entwicklungsumgebung für Handy-Programmierung (J2ME) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Anatomie eines Java-Programms Kommentar Bibliotheksimport Klassendeklaration Instanzierung der Turtle Konstruktor Methodenblock Entry point (main) Erzeugung einer Applikationsinstanz Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Paradigmenwechsel 10 INPUT A 20 INPUT B 30 IF A > B PRINT 'A IST GROESSER ALS B' 40 GOTO 60 50 PRINT ‘A IST KLEINER ALS B’ 60 END sondern: Ein Programm ist ein Objekt! (Instanz der Applikationsklasse) class MyProg { main() { new MyProg() } } Ein Programm ist nicht Aneinanderreihung von Code Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Tue es nicht! • Man kann zwar in Java auch (fast) prozedural (ohne OOP) programmieren, indem man den Code in main() schreibt und alle Methoden static macht: Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Tue es so! Konstruktor Applikationsinstanz erzeugen Consolefenster Methoden des Consolefensters Methode(nicht statisch) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

OOP in 5 Minuten: Kapselung in Klassen Instanzvariablen(Eigenschaften) Konstruktor(Initialisierung) Methode(Verhalten) Methode(Verhalten) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

OOP in 5 Minuten: Vererbung Klassendeklaration(abgeleitete Klasse) Konstruktor Methode(überschrieben) UML-Diagramm: Basisklasse(Mutter) Klassenhierarchie Initialisierung der Basisklasse Abgeleitete Klasse(Kind) Ein Quadrat IST EIN Rechteck, kennt daher zeige() Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

OOP in fünf Minuten: Polymorphie Applikationsklasse Instanzierung GPanel Instanzierung Objekte Container-Klasse Elemente hinzufügen Elemente durchlaufen Elemente durchlaufen Es wird das zum Datentyp gehörende fuelle() aufgerufen Instanzierung derApplikationsklasse Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Ist der Mathematikunterricht einfacher? • Hochsprung • Geigenspiel • Elektrodynamik • ... • Programmieren Nichts ist umsonst: Freude herrscht, wenn Widerstand gebrochen! Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Vermeidung von Vorwärtsbezügen • Die Kunst des Unterrichtens besteht darin, den Unter-richt in angepasst kleine Lernschritte zu strukturieren, dass der Lernende weder unter- noch überfordert wird. • Neue Begriffe sollen unter Berücksichtigung des gegen-wärtigen Wissensstandes und der Persönlichkeit des Lernenden eingeführt werden und müssen von ihm lo-gisch nachvollziehbar sein. • Zu einem systematisch aufgebauten Unterricht gehört der weitgehende Verzicht auf Unerklärbares und auf Hinweise, dass ein Verständnis erst später möglich sei. Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Java's Schwächen als Unterrichtssprache • Das ominöse Main:public static void main(String[] args) • Variablenkonzept: • Basistypen: int, double, usw. sind keine Objekte • Referenztypen: Variablendeklaration erzeugt kein Objekt, sondern nur eine Referenz auf ein Objekt. Diese werden ausschliesslich mit new erzeugt:Turtle t; // Variablendeklartion t = new Turtle(); // Objekterzeugung und Zuweisung • Es gibt nur Werte- aber keine Variablenparameter • Es gibt keine Zeiger, denn alle Referenzen sind bereits Zeiger Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Didaktische Klassenbibliotheken • Ohne didaktische Klassenbibliotheken ist der Einstieg in Java schwierig (zu?) • Besonders geeignet: • Turtle (Mehrere Turtles im gleichen Fenster) • Grafikfenster mit Benützerkoordinaten (GPanel) • Konsolenfenster für Ein- und Ausgabe (Console) • Hilfsklassen: HiResTimer, SoundPlayer, JRunner • Beim Einstieg kann weitgehend auf den OOP-Klassenentwurf (Vererbung, Polymorphie) verzichtet werden • Für die Programmierung klassischer Algorithmen geeignet. Beispielprogramme aus C/C++, Basic und Pascal können in der Regel leicht übernommen werden Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Drei Arten der Komplexitätsreduktion • Klassenbibliotheken verdecken zwar eine Menge an kompliziertem Code, es werden aber nicht alle Fallgruben entfernt, sondern der Lernende muss sich in der harten Wirklichkeit zurechtfinden • Glashaus-Systeme: der Lernende befindet sich in einer "geschützten Umgebung". Beispiele: • C++/Champ (enthält Multiple Turtle, CPWindow) • Logo (turtlebasiert!) • Kara (turtlebasiert!) • Lernsprachen sind eine alte Tradition der ETH Zürich, gemäss der Lebensphilosophie von N. Wirth: "Gibt es keine Programmiersprache, welche meinen Vorstel-lungen entspricht, so erfinde ich sie" Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

5. Teil: Java-Einstiegsvarianten • "Hello World" ausschliesslich mit dem Java API • konsolenorientiert • formularorientiert (GUI-Builder) • Applets • Web-Programmierung (JSP) • Java exemplarisch: • Turtle (Logo orientiert) • Console (traditionell) • GPanel ("ein Bild sagt mehr als tausend Worte") • Lejos (robotikorientiert, Java für Lego Mindstorm) • J2ME (handyorientiert) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Sample Session: OOP mit Java Weihnachtssterne • Top-Down-Design • Sterne sind Objekte mit • Eigenschaften (Grösse, Farbe, usw.): Instanzvariablen • Verhalten ("erscheine an diesem Ort"): Methoden • Es lassen sich beliebig viele Sterne (Objekte) erzeugen • Zwei Programmkonzepte: • sequentieller Code (klassisch) • formularorientiert (eventgesteuert) Let's do it (Learning by Doing) Kolloquium Informatik und Unterricht Wintersemester 2007

Soll und kann ich mit Java programmieren?