Objektorientierte Modellierung und Programmierung mit Hilfe dreidimensionaler Simulationen

Objektorientierte Modellierung und Programmierung mit Hilfe dreidimensionaler Simulationen Volker Quade Februar 2014

I. Grundlegendes Oder: Was heißt eigentlich Modellierung und Programmierung?

II. Einführung in GLOOP Oder: Was ist GLOOP eigentlich?

Erste Schritte in eine dreidimensionale Welt (1) Der Programmierung in GLOOP wird ein dreidimensionales Koordinatensystem zugrunde gelegt. Es handelt sich um ein rechtshändisches Koordinatensystem. Y X Z

Erste Schritte in eine dreidimensionale Welt (2) GLKamera Ein Objekt dieser Klasse öffnet ein Fenster, in dem die dreidimensionale Welt dargestellt wird. GLObjekt Die Klasse GLObjekt selbst ist abstrakt. Ihre Unterklassen stellen die geometrischen Objekte dar, aus denen eine Szene aufgebaut ist. GLLicht Mindestens eine Lichtquelle ist erforderlich, um die Szene auszuleuchten.

Das erste Programm – „Hello world!“ Deklaration von drei Objekten Initialisierung von drei Objekten

Das erste Programm – „Hello world!“

Eine einfache Simulation Drehung um den eigenen Mittelpunkt. Drehung um den Punkt (0, 0, 0).

Methoden von GLObjekt + setze. Position ( … ) + verschiebe ( … ) Positionierung + setze. Drehung ( … ) + drehe ( … ) Drehung + setze. Skalierung ( … ) + skaliere ( … ) + setze. Farbe ( … ) + setze. Textur ( … ) + gib. X() : double + gib. Y() : double + gib. Z() : double + loesche() [. . . ] Größenänderung Oberflächengestaltung Position liefern Löschen Es steht jeweils ein absoluter und ein relativer Befehl zur Verfügung.

Klassenstruktur Alle Konstruktoren folgen dem gleichen Muster: <Klassenbezeichner>(<Position>, <Ausdehnung>) (Beispiel: GLQuader (X, Y, Z, Breite, Höhe, Tiefe: double); )

Ein- und Ausgabe (1) Mit Hilfe der Konsole kann einzelner String ein- bzw. ausgegeben werden.

Ein- und Ausgabe (2) Tafel mit und ohne Autodrehung (Billboarding)

I. Unterrichtliches Vorgehen ? Oder: Was kann man damit machen?

Unterrichtsvorhaben EF-II Thema: Grundlagen der objektorientierten Analyse, Modellierung und Implementierung anhand von statischen Grafikszenen Kompetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler • ermitteln bei der Analyse einfacher Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), • modellieren Klassen mit ihren Attributen, ihren Methoden und Assoziationsbeziehungen (M), • stellen die Kommunikation zwischen Objekten grafisch dar (M), • implementieren einfache Algorithmen unter Beachtung der Syntax und Semantik einer Programmiersprache (I), • stellen den Zustand eines Objekts dar (D).

Unterrichtsvorhaben EF-II 1. Identifikation von Objekten a) Am Beispiel eines lebensweltnahen Beispiels werden Objekte im Sinne der Objektorientierten Modellierung eingeführt. b) Objekte werden mit Objektkarten visualisiert und mit sinnvollen Attributen und „Fähigkeiten“, d. h. Methoden versehen. c) Manche Objekte sind prinzipiell typgleich und werden so zu einer Objektsorte bzw. Objektklasse zusammengefasst. d) Vertiefung: Modellierung weiterer Beispiele ähnlichen Musters

Vögel als Objekte

Vögel als Instanzen einer Klasse Attribute Methoden

Unterrichtsvorhaben EF-II 2. Analyse von Klassen didaktischer Lernumgebungen a) Objektorientierte Programmierung als modularisiertes Vorgehen (Entwicklung von Problemlösungen auf Grundlage vorhandener Klassen) b) Teilanalyse der Klassen der didaktischen Lernumgebungen GLOOP Materialien: Dokumentation der didaktischen Bibliothek GLOOP (download) 3. Implementation dreidimensionaler, statischer Szenen a) Grundaufbau einer Java-Klasse b) Konzeption einer Szene mit Kamera, Licht und sichtbaren Objekten c) Deklaration und Initialisierung von Objekten d) Methodenaufrufe mit Parameterübergabe zur Manipulation von Objekteigenschaften (z. B. Farbe, Position, Drehung) Beispiel: Skulpturengarten Schülerinnen und Schüler erstellen ein Programm, das mit Hilfe von geometrischen Objekten der GLOOP-Umgebung einen Skulpturengaten auf den Bildschirm bringt. Beispiel: Olympische Ringe Die Schülerinnen und Schüler bilden das Emblem der olympischen Spiele mit Hilfe von GLOOP-Objekten nach. Materialien: Ergänzungsmaterialien zum Lehrplannavigator - Sequenzielle Programmierung (download)

Der Skulpturengarten à Eine besondere Herausforderung ist die kreisförmige Anordnung der Skulpturen!

Vertiefung: Olympische Ringe à Die Ringe müssen natürlich richtig ineinandergreifen.

Vertiefung: Olympische Ringe

Unterrichtsvorhaben EF-III Thema: Grundlagen der objektorientierten Programmierung und algorithmischer Grundstrukturen in Java anhand von einfachen Animationen Kompetenzerwartungen: (Argumentieren, Modellieren) Die Schülerinnen und Schüler • analysieren und erläutern einfache Algorithmen und Programme (A), • entwerfen einfache Algorithmen und stellen sie umgangssprachlich und grafisch dar (M), • ermitteln bei der Analyse einfacher Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), • modellieren Klassen mit ihren Attributen, ihren Methoden und Assoziationsbeziehungen (M), • ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen, Objekttypen oder lineare Datensammlungen zu (M), • ordnen Klassen, Attributen und Methoden ihren Sichtbarkeitsbereich zu (M).

Unterrichtsvorhaben EF-III Thema: Grundlagen der objektorientierten Programmierung und algorithmischer Grundstrukturen in Java anhand von einfachen Animationen Kompetenzerwartungen: (Implementieren) Die Schülerinnen und Schüler • modifizieren einfache Algorithmen und Programme (I), • implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I), • implementieren Algorithmen unter Verwendung von Variablen und Wertzuweisungen, Kontrollstrukturen sowie Methodenaufrufen (I), • implementieren einfache Algorithmen unter Beachtung der Syntax und Semantik einer Programmiersprache (I), • testen Programme schrittweise anhand von Beispielen (I), • interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I).

Unterrichtsvorhaben EF-III 1. Bewegungsanimationen am Beispiel einfacher grafischer Objekte (GLObjekte) a) Kontinuierliche Verschiebung eines GLObjekts mit Hilfe einer Schleife (While. Schleife) b) Tastaturabfrage zur Realisierung einer Schleifenbedingung für eine Animationsschleife c) Mehrstufige Animationen mit mehreren sequenziellen Schleifen d) Berechnung von Abständen zwischen GLObjekten mit Hilfsvariablen e) Meldungen zur Kollision zweier GLObjekte mit Hilfe von Abstandsberechnungen und Verzweigungen (IF-Anweisungen)

Das Ballwurfspiel Ziel des Spiels ist es, mit einem Ball eine Zielscheibe zu treffen. Der Ball kann mit der Tastatur nach links, rechts, oben und unten bewegt und so in die richtige Position gebracht werden. Auf Tastendruck fliegt er nach vorne weg, bis er auf Höhe der Zielscheibe ist. Ein Treffer bzw. Fehlwurf sollte mit einer Meldung angezeigt werden. Zielscheibe (1) Quadratischer Untergrund (1) Ball(1)

Modellierung mit Struktogrammen 1. Schritt Nicht ' 'gedrückt „Links“ gedrückt w f Ball nach links verschieben „Rechts“ gedrückt w f Ball nach rechts verschieben 2. Schritt Ball nicht auf Zielhöhe Ball nach hinten verschieben 3. Schritt Distanz < Radius w f Melde „Treffer“ Melde „Daneben“ „Oben“ gedrückt w f Ball nach oben verschieben „Unten“ gedrückt w f Ball nach unten verschieben Gemeint ist hier die Distanz zwischen dem Ball und der Zielscheibe bzw. der Radius der Zielscheibe.

Modelllösung: Ballwurfspiel

Unterrichtsvorhaben EF-III 2. Erstellen und Verwalten größerer Mengen einfacher grafischer Objekte (GLObjekte) a) Erzeugung von Objekten mit Hilfe von Zählschleifen (FOR-Schleife) b) Verwaltung von Objekten in eindimensionalen Feldern (Arrays) c) Animation von Objekten, die in eindimensionalen Feldern (Arrays) verwaltet werden d) Vertiefung: Verschiedene Feldbeispiele

Vertiefung: Hubschrauberlandeplatz à Die Kreise sind Signalleuchten und werden in einem Feld verwaltet. Zu Einübung von Schleifen können Lauflichter oder Blinklichter realisiert werden.

Vertiefung: Schachbrett à Die einzelnen Platten werden in verschachtelten Schleifen erstellt. Mit einer Verzweigung kann die unterschiedliche Färbung realisiert werden.

Unterrichtsvorhaben EF-III 3. Modellierung und Animation komplexerer grafisch repräsentierbarer Objekte a) Modellierung eines Simulationsprogramms mit eigenen Klassen, die sich selbst mit Hilfe von einfachen GLObjekten zeigen mit Hilfe eines Implementationsdiagramms b) Implementation eigener Methoden mit und ohne Parameterübergabe c) Realisierung von Zustandsvariablen d) Thematisierung des Geheimnisprinzips und des Autonomitätsprinzips von Objekten e) Animation mit Hilfe des Aufrufs von selbstimplementierten Methoden f) Vertiefung: Weitere Projekte

Drei Kerzen im Raum Es soll eine Szene erstellt werden, in der drei brennende Kerzen auf einem Holzbrett stehen. Flamme Docht Kerzenkörper Kerzen (3) Quadratischer Untergrund (1)

Modellierung des Projekts Kerzen à Kerzen brennen abhängig von ihrer Dicke unterschiedlich schnell ab und gehen am Ende aus.

Kerzenszene mit Parametern und Methoden

Unterrichtsvorhaben EF-IV Thema: Modellierung und Implementierung von Klassen- und Objektbeziehungen anhand von grafischen Spielen und Simulationen Kompetenzerwartungen: (Argumentieren, Modellieren) Die Schülerinnen und Schüler • analysieren und erläutern eine objektorientierte Modellierung (A), • stellen die Kommunikation zwischen Objekten grafisch dar (M), • ermitteln bei der Analyse einfacher Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), • modellieren Klassen mit ihren Attributen, ihren Methoden und Assoziationsbeziehungen (M), • ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen, Objekttypen oder lineare Datensammlungen zu (M), • ordnen Klassen, Attributen und Methoden ihren Sichtbarkeitsbereich zu (M), • modellieren Klassen unter Verwendung von Vererbung (M).

Unterrichtsvorhaben EF-IV Thema: Modellierung und Implementierung von Klassen- und Objektbeziehungen anhand von grafischen Spielen und Simulationen Kompetenzerwartungen: (Implementieren, Darstellen) Die Schülerinnen und Schüler • implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I), • testen Programme schrittweise anhand von Beispielen (I), • interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), • modifizieren einfache Algorithmen und Programme (I), • stellen Klassen, Assoziations- und Vererbungsbeziehungen in Diagrammen grafisch dar (D), • dokumentieren Klassen durch Beschreibung der Funktionalität der Methoden (D).

Das Ufospiel in 2 D Ein Raumschiff bzw. Ufo soll anfliegenden Asteroiden seitlich ausweichen. Bewegung

Modellierung mit Assoziationen

Das Ufospiel in 2 D

Binnendifferenzierung: Ufospiel in 3 D

Binnendifferenzierung und Vertiefung Zur weiteren Vertiefung und Binnendifferenzierung kann eine Autofahrt oder auch ein Billardspiel erstellt werden.