Jürg Nievergelt

Und die Moral von der Geschicht

Die Zielsetzungen dieses Buches sind uber das ganze Spektrum von Moglichkeiten verteilt, von der Lernumgebung Kara als praktischem Werkzeug fur den Unterricht zur abstrakten Theorie und weiter zu bildungspolitischen Fragen. Wir fassen die wichtigsten Punkte und Thesen nochmals kurz zusammen.

Concurrency: Interagierende oder nebenläufige Prozesse

Im taglichen Leben sind wir uns gewohnt, dass unsere Tatigkeiten stets mit anderen zeitlichen Ablaufen inter agieren. Wir warten darauf, dass die Verkehrsampel grun leuchtet; wir reihen uns in eine Warteschlange ein; mit einem Telefonanruf lenken wir einen anderen Menschen von seiner Arbeit ab und unterbrechen damit seinen geplanten Tagesablauf. Die Tatsache, dass wir unsere Plane stets an unvorhergesehene, von anderen verursachte Ereignisse anpassen mussen, ist so selbstverstandlich, dass uns die Schwierigkeit dieser Aufgabe oft nicht bewusst ist.

Endliche Automaten, unsere Alltagsgeräte

Im ersten Kapitel haben wir ausgefuhrt, dass ein Verstandnis fur Algorithmen in der heutigen Informationsgesellschaft Teil der Allgemeinbildung sein muss. Vom Informatik-Standpunkt aus gesehen ist es wichtig, vom intuitiv zu verstehenden Algorithmus, der fur Menschen durchaus angebracht ist, zum streng formal beschriebenen Algorithmus vorzudringen. Hier kommt der Begriff des „formalen Systems“ aus der mathematischen Logik ins Spiel. Was ein formales System im Sinne der mathematischen Logik und der Informatik ist, das ist (noch) nicht Bestandteil der Allgemeinbildung. Es ist aber ein entscheidender Begriff zum Verstandnis dessen, was Computer ausfuhren konnen und was nicht. Jeder Computer, mitsamt seiner Software, ist ein formales System, das genau das ausfuhrt, was der Benutzer und die Programmierer gesagt haben — wenn auch nicht unbedingt das, was sie gemeint haben.

Kara — Welt und Aufgaben eines virtuellen Roboters

Im ersten Kapitel haben wir argumentiert, dass Programmieren Teil der Allgemeinbildung sein soll. Wenn der Fokus auf einer allgemein bildenden Einfuhrung in die Programmierung liegt und nicht auf der Ausbildung von professionellen Programmierern, dann muss die verwendete Programmierumgebung so einfach wie moglich sein. Zu diesem Zweck schranken wir in der Lernumgebung Kara das Programmiermodell ein auf das Berechnungsmodell der endlichen Automaten. Statt eines prozeduralen Programms erstellt man einen endlichen Automaten, der das Verhalten eines Akteurs in einer vorgegebenen Situation beschreibt.

TuringKara — Zweidimensionale Turing-Maschinen

Die theoretische Informatik ist ein wichtiger Teil jeder Informatikausbildung. Universelle Berechnungsmodelle spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie entstanden aus der Frage „Was ist algorithmisch berechenbar und was nicht?“. Fur Anfanger ist es oftmals uberraschend, dass universelle Berechnungsmodelle mit sehr einfachen Grundoperationen auskommen, solange sie zwei Eigenschaften besitzen: unbeschrankte Zeit und unbeschrankten Speicher. Eine tiefer gehende und anschaulich geschriebene Einfuhrung in die Themen der Berechenbarkeit findet sich in David Harels Das Affenpuzzle und weitere bad news aus der Computerwelt [Har02].

JavaKara — Ein sanfter Übergang von Kara zu Java

Die mit Kara erstellten Programme haben einen einzigen Zweck: Schulerinnen und Schuler sollen als Teil der Allgemeinbildung einen Einblick in die Grundlagen von Algorithmen und Programmen erhalten. Die Programme haben keinen direkten weiteren Nutzen. Um wirkliche Probleme mit Hilfe von Programmen zu losen, braucht es eine professionelle Programmiersprache. Das Erlernen und die Beherrschung einer solche Sprache ist aufwandig, die Fehlersuche in Programmen oft muhsam und zeitraubend. Der Vorwurf, Kara vermittle keinen Eindruck davon, wie das Programmieren in einer modernen Programmiersprache aussieht, ist naheliegend. Man schreibt in der spielerischen Umgebung des Marienkafers einige Programme, um dann nachher doch ins kalte Wasser von C, C++, Java oder irgendeiner anderen machtigen Programmiersprache geworfen zu werden.

MultiKara — Koordination nebenläufiger Prozesse

Die MultiKara-Umgebung bietet eine anschauliche und einfach handbare Einfuhrung in die Denkweise der nebenlaufigen Programmierung. Insbesondere soll MultiKara einen Eindruck der Schwierigkeiten der nebenlaufigen Programmierung vermitteln sowie einige Mechanismen einfuhren, mit denen typische Probleme gelost werden konnen. Typische Themen einer Einfuhrung in nebenlaufige Programmierung beinhalten: Nichtdeterminismus, Scheduling, Erzeugung, Aktivierung und Terminierung von Prozessen, Synchronisation sowie Kommunikation zwischen den Prozessen. MultiKara deckt davon die Themenbereiche Nicht determinismus, Scheduling und Synchronisations-Mechanismen fur gegenseitigen Ausschluss sowie fur die zeitliche Synchronisation ab. MultiKara konzentriert sich auf High-Level-Mechanismen, um die Prozesse von vier Marienkafern in der MultiKara-Umgebung zu koordinieren.

Der Begriff Berechnungsmodell

Die Lernumgebung Kara bietet nicht nur einen Einstieg in die Grundlagen von Algorithmen und Programmen, sondern auch eine intuitive Einfuhrung des zentralen Begriffs „Berechnungsmodell“. Welche Aufgaben kann Kara losen, welche nicht? Kann Kara mehr Aufgaben losen, wenn er Kleeblatter als Markierungen legen kann? In diesem Kapitel beschaftigen wir uns deshalb mit Berechnungsmodellen und der Frage, wie Kara in der Hierarchie dieser Modelle einzuordnen ist.

Umgebungen für den Programmierunterricht

Die Entwicklung von Informatik-Systemen aller Art fur den Einsatz in der Informatik-Ausbildung hat eine lange Geschichte, zumindest fur den Zeitbegriff der Informatik. Die ersten Entwicklungen reichen bis in die 1960er Jahre zuruck. So wurden viele Programmiersprachen und Umgebungen entwickelt, die speziell auf die Bedurfnisse von Einsteigern ins Programmieren ausgerichtet sind. Es gibt unterschiedliche Ansatze — die Spannbreite reicht von an Computerspiele angelehnten Umgebungen bis hin zu vollwertigen Programmiersprachen wie Pascal, deren Bedeutung weit uber ihren Einsatz in der Ausbildung hinausgeht. Zu den einflussreichen fruhen Projekten und Entwicklungen zahlen Seymour Paperts Aktivitaten mit dem Ziel, Kindern das Programmieren einer „Schildkrote“ in Logo beizubringen. Als Beispiel fur den Entwurf von speziell fur den Unterricht gedachten Programmiersprachen sei BASIC (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code) von Kemeny und Kurtz erwahnt. Don Bitzers PLATO-System (Programmed Logic for Automated Teaching Operations) fur Computer-Assisted Instruction nutzte den Computer als Lernmedium und wurde wahrend zwei Jahrzehnten von mehreren hunderttausend Studierenden verwendet.

Programmieren im Unterricht — warum und wie?

Der Umgang mit Computern sei kinderleicht, „plug and play“ verkundet die Werbung. Woher kommt es dann, dass wir oft schon bei einfachen Aufgaben am Computer scheitern? Es ist wohl das Phanomen der sichtbaren Spitze, die einen zum grossten Teil unsichtbaren Eisberg kront. „Einschalten und surfen“ erscheint selbstverstandlich, bis man von Fehlermeldungen unterbrochen wird und sich fragt, was alles hinter dem Bildschirm ablauft. Wie die Spitze des Eisberges besitzen Computeranwendungen einen grossen, versteckten und nicht leicht zu durchdringenden Unterbau. Der Anwender muss diesen Unterbau der Informatik nicht im Detail verstehen, aber er sollte eine Vorstellung der ihm zugrunde liegenden Prinzipien haben. Das Industriezeitalter hat die Anforderungen an die Allgemeinbildung der Gesamtbevolkerung beachtlich erhoht: Lesen, Schreiben und Rechnen gehoren seit dem Anbruch des Industriezeitalters zur Allgemeinbildung. Genauso verlangt das Informationszeitalter von jedem einzelnen Kompetenzen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien.