Algorithmisches Problemlsen mit Scratch Klaus Becker 2012 2

Algorithmisches Problemlösen mit Scratch Klaus Becker 2012

2 Algorithmisches Problemlösen / Scratch

3 Teil 1 Die Scratch-Welt

4 Eine Bühne mit Figuren Die Scratch-Welt besteht aus einer Bühne, auf der Figuren agieren können.

5 Bausteine der Scratch-Welt Eine Scratch-Welt ist aus Objekten aufgebaut. Objektname Objekteigenschaften Objektfenster Objekte Weltfenster

6 Anweisungen / Programme Anweisungen sind Bausteine zur Steuerung eines gegebenes Systems. Jedes System (wie z. B. Scratch) stellt dem Benutzer sogenannte elementare Anweisungen bereit. Das sind die Anweisungen, die als Grundbausteine zur Verfügung stehen und die das System direkt ausführen kann. Anweisung Ein Programm ist eine Folge von Anweisungen. elementare Anweisung Programm Kachelfenster Programmfenster

7 Ereignissteuerung Scratch-Programme werden erst ausgeführt, wenn bestimmte Ereignisse eintreten. Beispiele für Ereignisse sind: Ø die grüne Fahne wird angeklickt Ø eine Taste wird gedrückt Ø eine Figur wird angeklickt Ø eine Nachricht wird empfangen Ereignisbehandlung

8 Übungen Aufgabe Erstelle selbst eine Scratch-Welt. Gehe dabei so vor wie auf inf-schule 1. 5. 1. 1.

9 Teil 2 Fallunterscheidungen

10 Problem - Radfahrer Auf der Bühne befindet sich ein Radfahrer mit seinem Fahrrad. Bisher ist es so, dass der Radfahrer die Bühne (zumindest teilweise) verlassen kann. Das soll ab jetzt verhindert werden.

11 Problem - Radfahrer Aufgabe: (a) Ändere das Programm des Radfahrers so ab, dass die Bühne nicht mehr verlassen werden kann. (b) Der Radfahrer soll mitdenken. Wenn die Grenze des erlaubten Bereichs erreicht wird, soll er "hoppla" denken, ansonsten "wow". In beiden Fällen musst du eine Fallunterscheidungskachel benutzen.

12 Problem - Radfahrer Aufgabe: Mit der Leertaste soll man zwischen "Dämmerung" und "ganz dunkel" hin und her schalten können. Wenn es ganz dunkel ist, soll der Radfahrer ganz langsam fahren. Aufgabe: Jetzt kommt auch noch ein Fußgänger ins Spiel. Klar, dass der Radfahrer anhalten muss, wenn der Fußgänger über die Straße geht.

13 Fallunterscheidungen Eine Fallunterscheidung bzw. Entscheidungsanweisung dient dazu, alternative Abläufe zu beschreiben. zweiseitige Fallunterscheidung einseitige Fallunterscheidung

14 Fallunterscheidungen Eine Fallunterscheidung bzw. Entscheidungsanweisung dient dazu, alternative Abläufe zu beschreiben. Bedingung Anweisungssequenz

komplexe Bedingungen 15 Eine komplexe Bedingung wird aus elementaren Bedingungen und logischen Operatoren aufgebaut. logischer Operator elementare Bedingung a nicht a a b a und b a oder b falsch wahr falsch falsch wahr falsch wahr wahr wahr nicht Negation Konjunktion und Disjunktion oder

16 Übungen Bearbeite eine der Aufgaben auf inf-schule 1. 5. 2. 4.

17 Teil 3 Wiederholungen

18 Problem - Sprünge wiederholen Aufgaben: Bearbeite die Aufgaben auf inf-schule 1. 5. 3. 1.

19 Wiederholungen Eine Wiederholeanweisung mit vorgegebener Anzahl von Wiederholungen dient dazu, wiederholte Abläufe zu beschreiben, bei denen die Anzahl der Wiederholungen vorneherein feststeht. Eine bedingte Wiederholeanweisung dient dazu, wiederholte Abläufe zu beschreiben, bei der die Anzahl der Wiederholungen vom Eintreten einer Bedingung abhängt. feste Anzahl von Wiederholungen bedingte Wiederholungen

20 bedingte Wiederholung Zunächst wird überprüft, ob die angegebene Bedingung erfüllt ist. Ist das nicht der Fall, so werden die zu wiederholenden Anweisungen ausgeführt. Anschließend wird die Bedingung wieder überprüft und es beginnt der nächste Wiederholedurchgang. Erst wenn die Bedingung erfüllt ist, wird der Vorgang beendet. Bedingung Anweisungssequenz

Vorsicht: Wiederhole-Varianten 21 bis [Bedingung] wiederhole: [Anweisungssequenz] Scratch. Version wiederhole: [Anweisungssequenz] bis [Bedingung] Pascal: repeat

Vorsicht: Varianten 22 bis [Bedingung] wiederhole: [Anweisungssequenz] Scratch. Version solange [Bedingung] wiederhole: [Anweisungssequenz] Python, Pascal: while

23 Vorsicht: Endlosschleife Bei einer Endlosschleife werden die zu wiederholenden Anweisungen - zumindest theoretisch unendlich oft ausgeführt. Die Ausführung eines Programms mit einer Endlosschleife muss daher durch geeignete Maßnahmen unterbrochen werden.

24 Übungen Bearbeite eine der Aufgaben auf inf-schule 1. 5. 3. 5.

25 Teil 4 Algorithmen

26 Problem - Ball suchen Der gelbe Fisch yello spielt gerne Blindekuh. Irgendwo im Aquarium ist ein schwebender Ball versteckt. yello will diesen Ball finden.

27 Problembeschreibung vorher: nachher: Vor jeder Problembearbeitung sollte das zu lösende Problem möglichst klar beschrieben werden.

28 Eine Lösungsstrategie Aufgabe: (a) Beschreibe die Lösestrategie zunächst in Worten. (b) Ergänze anschließend die begonnene Präzisierung der Lösestrategie. (c) Übersetze die Beschreibung abschließend in ein Scratch-Programm. wiederhole bis der Rand oder Ball berührt wird: schwimme ein Stück nach unten wenn der Rand berührt wird: drehe dich nach links schwimme ein Stück nach oben wiederhole bis der Rand oder Ball berührt wird: schwimme ein Stück nach vorne wenn der Rand berührt wird: . . .

29 Algorithmus Ein Algorithmus ist eine Verarbeitungsvorschrift zur Lösung eines Problems, die so präzise formuliert ist, dass sie (zumindest im Prinzip) auch von einer Maschine abgearbeitet werden kann. Algorithmus Ball. Suchen wiederhole bis der Rand oder Ball berührt wird: schwimme ein Stück nach unten wenn der Rand berührt wird: drehe dich nach links schwimme ein Stück nach oben wiederhole bis der Rand oder Ball berührt wird: schwimme ein Stück nach vorne wenn der Rand berührt wird: . . .

30 Implementierung eines Algorithmus Eine Implementierung eines Algorithmus ist eine Übersetzung und Anpassung des Algorithmus in eine bestimmte Programmierwelt. .

31 Bausteine von Algorithmen Kontrollstrukturen dienen dazu, den Ablauf der Ausführungsschritte festzulegen. Wesentliche Kontrollstrukturen sind die Fallunterscheidung, die Wiederholung sowie die Sequenzbildung (Hintereinanderreihung von Anweisungen). Fallunterscheidung Wiederholung Sequenzbildung

32 Übungen Bearbeite eine der Aufgaben auf inf-schule 1. 5. 4. 4.

33 Teil 5 Teile und herrsche

34 Problem - Lebkuchenhaus Aufgabe: Entwickle einen Algorithmus / ein Programm, mit dem die Hexe das Lebkuchenhaus bauen kann.

35 Problemlösestrategie Hexe hui ist ganz schön raffiniert. Sie überlegt sich: "Um das Haus zu bauen, muss ich Lebkuchenreihen setzen. Eine Lebkuchenreihe erhalte ich, indem ich Lebkuchen nebeneinander setze. Einen Lebkuchen forme ich wie ein Quadrat. "

36 Problemlösestrategie Hexe hui ist ganz schön raffiniert. Sie überlegt sich: "Um das Haus zu bauen, muss ich Lebkuchenreihen setzen. Eine Lebkuchenreihe erhalte ich, indem ich Lebkuchen nebeneinander setze. Einen Lebkuchen forme ich wie ein Quadrat. " Aufgabe (a) Das gezeigte Hexenprogramm geht nach der beschriebenen Hexenstrategie vor. Wieso? (b) Ergänze die fehlenden Teile und teste das Programm. (c) Erweitere das Programm nach deinen Vorstellungen.

37 Teile und herrsche ist eine Problemlösestrategie, bei der ein Problem immer weiter in Teilprobleme zerlegt wird, bis sich diese einfach lösen lassen. Aus den Lösungen der Teilprobleme wird dann die Lösung des Gesamtproblems zusammengesetzt. Algorithmus: Quadratfeld zeichnen Problem: Quadratfeld zeichnen wiederhole 8 mal: Quadratreihe zeichnen an neue Position gehen zurück zur Ausgangsposition gehen Algorithmus: Quadratreihe zeichen Problem: Quadratreihe zeichen wiederhole 8 mal: Quadrat zeichnen an neue Position gehen zurück zur Ausgangsposition gehen Algorithmus: Quadrat zeichnen Problem: Quadrat zeichnen wiederhole 4 mal: Schritt vorwärts um 90° nach links drehen

38 Übungen Bearbeite auch das Problem auf inf-schule 1. 5. 5. 2.

39 Teil 6 Variablen

40 Problem - Sekunden zählen Der Affe schiri soll das nächste Spiel pfeifen. Aber, wann geht es endlich los?

41 Problem - Sekunden zählen Aufgabe (a) Das Programm benutzt eine Variable zaehler zum Sekundenzählen. Schaue dir das Programm genau an. Stelle eine Vermutung auf, was es leistet. Überprüfe anschließend deine Vermutung. (b) Ändere das Programm so ab, dass wie bei einem Countdown von 10 bis 0 heruntergezählt wird.

42 Problem - Sekunden zählen Aufgabe (a) Das Programm benutzt eine Variable zaehler zum Sekundenzählen. Schaue dir das Programm genau an. Stelle eine Vermutung auf, was es leistet. Überprüfe anschließend deine Vermutung. (b) Ändere das Programm so ab, dass wie bei einem Countdown von 10 bis 0 heruntergezählt wird.

Variablen 43 Variablen dienen in der Informatik dazu, Daten zu verwalten. Eine Variable ist ein Name, der (in der Regel) mit einem Datenwert verknüpft ist. Variable Wert sekunden 21 minuten 3 stunden 13 Variablenzustand Kurzschreibweise {sekunden -> 21; minuten -> 3; stunden -> 13}

44 Übungen Bearbeite eine der Aufgaben auf inf-schule 1. 5. 6. 3.

45 Teil 7 Zuweisungen

46 Problem - Fußball Kater oesi ist ein begnadeter Fußballspieler. Er versucht immer, aus allen Entfernungen auf das (linke) Tor zu schießen.

47 Tore schießen Aufgabe: (a) Teste das gesamte Fußballprogramm. Beschreibe das Verhalten der Objekte möglichst präzise. (b) Es sollen auch die Fehlschüsse von oese mitgezählt werden. Erweitere die Programme in geeigneter Weise.

48 Ball platzieren Verhaltensbeschreibung: Wenn das Objekt ball angeklickt wird, dann soll ball irgendwo im gelb markierten Feld platziert werden. Aufgabe: (a) Erstelle für das Objekt ball das folgende Programm. Beachte, dass du hierzu zwei neue Variablen erzeugen musst. (b) Teste das Programm. Irgend etwas stimmt noch nicht. Das Objekt ball wird zwar an andere Orte gesetzt, aber nur in einem sehr eng begrenzten Bereich. Ändere das Programm geeignet ab.

49 Torentfernung berechnen Verhaltensbeschreibung: Wenn das Objekt ball angeklickt wird, dann soll ball irgendwo im gelb markierten Feld platziert werden. Zusätzlich soll die Entfernung zum Tor berechnet und angezeigt werden. Aufgabe: (a) Wie muss man die Bausteine zusammensetzen, um die Torentfernung zu berechnen? (b) Erzeuge die erforderlichen Variablen und ergänze das bereits entwickelte Programm so, dass jeweils auch die Torentfernung berechnet und angezeigt wird. Teste das erweiterte Programm.

50 Tore bejubeln Verhaltensbeschreibung: Wenn oesi den ball in das Tor geschossen hat, dann soll oesi ganz laut "Too. . . oor" schreien. Aufgabe: (a) Die Abbildung zeigt ein mögliches Programm zum Torjubel. Erstelle das Programm und teste es. Beachte, dass das Objekt ball den Torjubel auslösen muss. (b) Zähle bei jeweils die Anzahl der "o". Vergleiche mit der Torentfernung. Was fällt hier auf? (c) Analysiere das Programm. Kannst du erklären, wie der Torjubel hier zu Stande kommt? (d) Der Torjubel soll jetzt von der Anzahl der bereits geschossenen Tore abhängen. Bei jedem Tor wird der Torjubel um ein "o" länger. Kannst du das Programm entsprechend abändern?

Zuweisung 51 Eine Veränderung eines Variablenwerts bzw. des zugehörigen Speicherzelleninhalts kann mit Hilfe einer Zuweisung an die entsprechende Variable erfolgen. Aufbau Auswertung Zustand - vorher {hilf -> 4} setze hilf auf (hilf - 1) Variable setze hilf auf (hilf - 1) 4 -1 Term {hilf -> 3} Aufbau einer Zuweisung: Eine Zuweisung besteht aus einer Variablen (der ein Wert zugewiesen wird) und einem Term (der den zuzuweisenden Wert festlegt). Zustand - nachher Auswertung einer Zuweisung: Erst wird der Wert des Terms mit Hilfe des aktuellen Variablenzustands ermittelt. Dieser Wert wird dann der Variablen als neuer aktueller Wert zugewiesen.

52 Trace-Tabelle Mit einer Trace-Tabelle verdeutlicht man die Entwicklung der Variablenwerte. Trace-Tabelle

53 Terme Eine Wertzuweisung besteht aus einer Variablen (der ein Wert zugewiesen wird) und einem Term (der den zuzuweisenden Wert festlegt). setze jubel auf 'T' setze hilf auf gerundet(torentfernung / 10) setze jubel auf verbinde(jubel, 'o') setze hilf auf (hilf - 1) Terme können recht komplex werden. Sie können die gängigen Rechenoperationen, Zahlen, Variablen usw. enthalten und fast beliebig verschachtelt werden.

54 Datentypen Ein Datentyp beschreibt eine Menge von Datenobjekten, die alle die gleiche Struktur haben und mit denen die gleichen Operationen ausgeführt werden können. Term Wert: Zahl Term Wert: Wahrheitswert Term Wert: Zeichenkette

55 Experimente mit Daten Führe Experimente zur Verarbeitung von Daten mit unterschiedlichem Datentyp durch (siehe inf-schule 1. 5. 7. 3 und 1. 5. 7. 4. )

56 Übungen Bearbeite eine der Aufgaben auf inf-schule 1. 5. 7. 5.

57 Teil 8 EVA-Struktur

58 Problem - Handytarife Ziel ist es, ein Programm zu entwickeln, mit dem man Handytarife miteinander vergleichen kann. Die folgende Abbildung zeigt einen einfachen Handykostenrechner.

59 Problem - Handytarife Aufgabe: (a) Beschreibe die in der Abbildung zu erkennenden Handytarife A und B. (b) Welche Daten müssen an den Reglern vorab eingestellt werden? Welche Ergebnisse liefert der Handykostenrechner? (c) Wie kann der Handykostenrechner die Ergebnisse aus den eingestellten Daten berechnen?

60 Problem - Handytarife Aufgabe: (a) Gehe die Anweisungen Schritt für Schritt durch und erkläre, was jeweils berechnet wird. Beachte, dass die beiden Variablen Kosten. A und Kosten. B Hilfsvariablen sind. (b) Gib das Programm selbst ein und teste es. (c) Erweitere den Handykostenrechner so, dass auch SMS-Kosten berücksichtigt werden.

61 Eingabe - Verarbeitung - Ausgabe Programme, die eine EVA-Struktur aufweisen, verarbeiten Benutzereingaben und geben die Ergebnisse der Verarbeitung in einer für den Benutzer verständlichen Weise wieder aus. Grundgebühr. B-Cent Gesprächsminuten Grundgebühr. B-Euro Grundgebühr. A-Euro Minutenpreis. B-Cent Minutenpreis. A-Cent Grundgebühr. A-Cent E(ingabe) V(erarbeitung) A(ausgabe) Kosten. A-Euro Kosten. B-Cent "Position von tipp" Kosten. A-Cent Kosten. B-Euro

62 Übungen Bearbeite eine der Aufgaben auf inf-schule 1. 5. 8. 3.