Bearbeiten Sie die verschiedenen Aufgaben:

Grundlage für einen Algorithmus ist das EVA-Prinzip.

E steht für Eingabe. Eingaben können über von Benutzern die Tasten, die Maus oder den Touchbildschirm direkt gemacht werden. Es können aber auch Eingaben über Sensoren oder andere Computersysteme erfolgen. Kurz kann eine Eingabe über Nutzerinteraktion, externe Informationen oder Sensoreingaben erfolgen.

V steht für Verarbeitung. Die Eingaben werden verarbeitet, meist durchlaufen Sie ein Programm. Das Programm ist oft ein in Computersprache niedergeschriebener Algorithmus.

A für Ausgabe: Die Ausgaben erfolgen über den Bildschirm, einen Drucker oder das Senden der Ausgabeinformation an ein anderes System.

In diesem Kontext sollte nun eine Definition und die Eigenschaften eines Algorithmus folgen.

Damit Algorithmen befolgt (oder auch programmiert) werden können, müssen sie die folgenden Eigenschaften aufweisen:

Eindeutigkeit. Ein Algorithmus darf keine widersprüchliche Beschreibung haben. Diese muss eindeutig sein. Im Muffinsrezept müssen die Mengenangaben genau (nummerisch, in Gramm o.ä.) sein. Dies ist eine Schwierigkeit bei der Faltaufgabe. Der Text muss eindeutig sein.

Ausführbarkeit. Es darf im Algorithmus nie eine Stelle geben, die nicht ausführbar ist (durchlaufen werden kann). Der nächste Backschritt-, Faltschritt oder Rechenschritt muss klar definiert und „bearbeitbar“ (also ausführbar) sein.

Terminierung. Der Algorithmus muss ein Ende haben. Es darf lange dauern, aber es muss endlich sein, da sonst eine vollständige Bearbeitung (ein vollständiges Durchlaufen der Arbeitsanweisungen nicht möglich ist.)

Determiniertheit(Bedingtheit). Dies bedeutet in unserem Zusammenhang, dass ein Algorithmus bei gleichen Voraussetzungen stets das gleiche Ergebnis liefern muss. Er kann somit nicht einfach mit der gleichen Eingabe zwei verschiedene Ergebnisse ausgeben. Die Faltanleitung muss immer (mehr oder weniger genau) das gleiche Faltergebnis liefern.

Determinismus (Bestimmtheit). Es muss zu jedem Zeitpunkt während der Ausführung des Algorithmus nur eine Möglichkeit bestehen, den Algorithmus fortzusetzen. Als Leser bzw. ausführende Person (oder auch eine Maschine) eines Algorithmus darf man somit nie vor einer Wahl stehen.

Aufgabe G
Gegeben ist das folgende Diagramm (ein sogenanntes Aktivitätsdiagramm). Eine Spielfigur steht beim Pfeilsymbol im Labyrinth (Startposition).

1. Auf welchem Weg verlässt die Figur das Labyrinth, wenn Sie diesen Algorithmus nutzt? (Papierversionen des Labyrinths liegen bereit). Arbeiten Sie zu zweit.
2. Wie muss das Labyrinth oder die Startposition oder beides verändert werden, damit dieser Algorithmus nicht mehr zum Ausgang führt? Hierbei darf der Ausgang des Labyrinths nicht aufgehoben werden, was die triviale Antwort auf die Frage wäre.

Labyrinth	Aktivitätsdiagramm

Im Grundlagenfach Informatik werden Sie die zwei Programmiersprachen Python und die JavaScript kennenlernen. Als Erinnerung, HTML ist keine Programmiersprache. Python zeichnet sich durch die Einfachheit und Lesbarkeit, sowie der vielseitigen Anwendung in vielen Berufsfeldern, bei Forschern gleichwohl wie bei (Software-) Entwicklern.

Nice to know

Der niederländische Entwickler Guido van Rossum hat 1989 die Programmiersprache Python entwickelt, um eine Lernumgebung für Programmiersprachen mit einfacher Syntax und Lesbarkeit zu haben. Die durch diese Sprache geschulten Programmier-Kompetenzen sollten gleichzeitig auf andere Sprachen übertragen werden können. Guido van Rossum war ein Fan der britischen Komikertruppe Monty Python, daher der Name „Python“, weit weg von der gleichnamigen Schlage…
Weitere Informationen hier.

Um erste Erfahrungen mit der Programmiersprache Python zu machen, gibt es viele Möglichkeiten.
Wir werden dies mithilfe des Micro:bits (BBC micro:bits) tun. Dies ist eine Art Minicomputer, ein so genannter Einplatinencomputer, welcher 2015 von BBC (British Broadcasting Corporation) entwickelt wurde, um die Werkzeuge für eine bessere Schulbildung im Bereich der Informationstechnik bereitzustellen. Der Micro:bit kann über verschiedener Entwicklungsumgebungen programmiert werden.

Sie halten einen Micro:bit in den Händen, doch was genau ist dieses kleine Ding und was kann es alles? Hier eine Übersicht der Hardwarekomponenten.

Weitere technische Details dazu unter Hardwareinformationen

Mit dem Micro:bit kann mit verschiedenen Editoren gearbetiet werden. Wir werden mit dem Micro:bit Classroom Editor arbeiten, denn hier gibt es eine ziemlich nütliche API^*, die Verbindung zum Microbit funktioniert gut und der Editor ist einfach zu bedienen.
^* API heisst Application Programming Interface und ist eine Sammlung von Befehlen, Funktionen, vieles mehr, die zum Programmieren verwendet werden können.

Bevor wir mit dem Programmieren eines Microbits starten können ist eine Verbindung zwischen dem Computer und dem Micro:bit nötig. Im folgenden Auftrag ist beschrieben, wie dies gemacht werden soll.

https://classroom.microbit.org/ entweder über den Chrome- oder den Edge-Browser nutzen!

Zum Editor gelangen	Editor starten
Den Editor nutzen und die Arbeit sichern

Die folgenden Aufgaben sind der Schwierigkeit nach chronologisch geordnet, die Pflichtaufgaben und die Zusatzaufgaben sind jeweils als solche markiert. Die Aufgaben sollten so durchgearbeitet werden, dass auch die Lernfragen dazu umfassend beantwortet werden können. Ihre Lösungen zu den Aufgaben sollten Sie auch immer herunterladen und in einem dazu vorgesehenen Ordner speichern, um so nichts an Arbeit zu verlieren. Die kleinen Theorieblöcke bei den Aufgaben sollten jeweils aufmerksam durchlesen und während des Aufgabenlösens verarbeitet werden.

Ziele dieses Teils ist es, erste Erfahrungen im Programmieren in Python gemeinsam mit dem wichtigen Grundwissen zu den elementaren Programmierkonzepten zu machen. Es geht somit darum, nicht nur „auszuprobieren“, sondern die genannten Konzepte zu erkennen und selbst auch in einfacheren Beispielen zu verwenden.

Variablen haben in der Programmierung grosse Nützlichkeit, doch was genau ist eine Variable und wie kann diese genau verwendet werden?
Eine Variable ist wie ein Behälter, in dem Daten gespeichert werden können. Man kann sich eine Kiste vorstellen, in der etwas aufbewahrt werden kann und der Wert der Variable wäre somit der aufbewahrte Inhalt der Kiste.

kiste = 100

Der Wert wird einer Variablen durch das Gleichsetzen zugewiesen. Eine Zuweisung eines Werts an die Variable ist, wie wenn man einen Gegenstand in die Kiste legt.
Dies ist sehr unterschiedlich zur Mathematik. Das = ist nicht ein ist gleich sondern eher ein Wert einer Variablen zuweisen.
Im Beispiel ist eine Variable mit dem Namen kiste erstellt worden und in dieser Variablen wird der Wert 100 gespeichert. Jedes Mal, wenn nun die Variable kiste im Programm aufgerufen wird, ersetzt das Programm kiste durch 100.

kiste = 100 
kiste = 50 
kiste = 50 + kiste 

Im obigen Beispiel eines kurzen Programms, welches von oben links zeilenweise nach unten rechts durchlaufen wird, werden der Variablen kiste verschiedene Werte zugewiesen:

• Zuerst wird der Variablen kiste den Wert 100 zugewiesen,
• Dann wird die Variable kiste auf 50 gesetzt, der Wert 100 wird überschrieben und geht somit verloren.
• Die Variable kiste wird um 50 erhöht. Das ist so zu lesen, dass der neue Wert kiste gleich 50 plus dem alten Wert von kiste ist.

Wer beim Arbeiten mit dem Micro:bit Variablen verwendet möchte, kann dies auf ganz verschiedene Arten tun. Beispielsweise kann das folgende Programm ähnlich wie das Kisten-Beispiel für den Micro:bit programmiert werden:

kiste.py

from microbit import *
kiste=2
kiste=kiste * 3
display.scroll('KISTE=')
display.show(kiste)

In diesem Beispiel ist die Variable kiste zuerst auf 2 gesetzt, dieser Wert wird aber direkt in der nächsten Zeile verdreifacht und anschliessend auch angezeigt. 

Rechner1.py

#Rechner 1 
from microbit import *
from math import *
 
#Variablen definieren und einen Wert zuweisen
a=3
b=5 
#Display.scroll dient zum Anzeigen von Werten oder Text
display.scroll('a=')
display.scroll(a)
display.scroll('b=')
display.scroll(b)
display.scroll('a+b')
display.scroll(a+b)

Sicher haben Sie sich auch schon gefragt, warum die beiden Zeile microbit import * und math import * nötig sind oder was genau import * bedeutet. In Python gibt es vordefinierte Bibliotheken (eine Sammlung von Dateien, sogenannten Modulen), die von jedem Programmierer genutzt werden kann, es muss somit keine Erweiterung installiert werden, die benötigten „Befehls- und Begriffspakete“ können durch die Zeile from microbit import …dazu geladen werden. Dadurch können die Funktionen, Methoden, vordefinierte Werte und andere Definitionen dieses Moduls zum Programmieren genutzt werden.
Grundsätzlich können für die ersten Schritte mit dem Micro:bit die folgenden (oder ähnliche) Importbefehle nützlich sein:

Rechner2.py

#Aufgabe 1, Mathematische Formeln 
from microbit import *
from math import *
 
#Variablen definieren und einen Wert zuweisen
a=3
b=5
 
#Display.scroll dient zum Anzeigen der Funktionen
display.scroll('a=')
display.scroll(a)
display.scroll('b=')
display.scroll(b)
display.scroll('a+b')
display.scroll(a+b)

Programm1.py

#Programm 1
from microbit import *
 
display.scroll('Press A') 
sleep(3000)
knopfdruck=button_a.get_presses() 
display.scroll(knopfdruck) 

Programm1_1.py

#Programm 1
from microbit import *
 
display.scroll('Press A') #Text wird angezeigt.
sleep(3000) #3000ms Zeit,in welcher der Benutzer den Knopf A einige Male drücken muss.
knopfdruck=button_a.get_presses() #Es wird gezählt, wie oft der Knopf gedrückt wurde. 
display.scroll(knopfdruck) #Es wird die Anzahl Betätigungen angezeigt.

Durch dieses kleine Programm1_1 wird gezählt, wie oft der Knopf A gedrückt in 3000ms gedrückt wird. Es wird neben der vordefinierten Methode display.scroll auch button_a.get_presses genutzt, jene gibt zurück, wie oft der Knopf a gedrückt wird.

Das EVA-Prinzip ist hier klar erkennbar, die Eingabe ist das Drücken des Knopfes und die Ausgabe, das Anzeigen der Anzahl Knopfbetätigungen.
Das Programm ist sehr kurz und es fällt auf, dass es nur einen Durchlauf gibt. Durch ein erneutes Starten des Programms (die Stop- und Starttaste bei der Simulation oder dem Aus- und Einschalten des Micro:bits) kann ein weiteres Mal gezählt werden, wie oft A gedrückt wird. Das Programm kann natürlich auch wie folgt erweitert werden.

Programm2.py

#Programm 2
from microbit import *
 
display.scroll('Press A') #Erster Durchlauf
sleep(3000) 
knopfdruck=button_a.get_presses()
display.scroll(knopfdruck)
sleep(2000)
display.scroll('Repress A') #Zweiter Durchlauf
sleep(3000) 
knopfdruck=button_a.get_presses()
display.scroll(knopfdruck)
sleep(2000)
display.scroll('Repress A') #Dritter Durchlauf
sleep(3000) 
knopfdruck=button_a.get_presses()
display.scroll(knopfdruck)

Beim Programm 2 wird die Programmzeilen dreimal wiederholen. Der Code-Block ist viel länger. Wie kann dieses Wiederholen besser programmiert werden, sodass das Programmieren effizient ist und das Programm ästhetisch und gut leserlich wirkt? Wie kann durch eine kleine Änderung im Programm erreicht werden, dass das Programm nicht dreimal hintereinander zählt, sondern zwanzigmal?

Neben den Variablen ist ein zweites wichtiges Programmierkonzept die Schleifen. Eine Schleife ist dann nötig, wenn ein Programmteil (Code-Block) sich mehrfach wiederholt. Durch das Verwenden einer Schleife muss die Programmzeile nicht immer wiederholt im Programm notiert werden. Somit ist dies genau das, was Programm 2 verbessern würde.

Es gibt grundsätzlich zwei Schleifentypen: Die while-Schleife und die for-Schleife. Wir beschränken uns im ersten Jahr auf die while-Schleife, da diese keine Listen benötigt. Listen und die for-Schleife wird im zweiten Jahr behandelt.

Eine while-Schleife wird unter anderem dann verwendet, wenn:

• …man nicht weiss, wie oft eine Wiederholung einiger Programmzeilen ausgeführt werden muss, man kennt somit die Anzahl der Wiederholungen nicht.
• …. die Anzahl Wiederholungen bekannt ist und eine Zähl-Variable vorhanden ist.

Jede Schleife hat eine Bedingung (eine „Schleifenfrage“), die entweder wahr (True) oder falsch (False) ist. Die Wiederholungen werden nur so lange ausgeführt, wie die Bedingung erfüllt ist, bzw. die Schleifenfrage mit Ja - Wahr- True beantworte werden kann. Sobald die Bedingung nicht mehr erfüllt ist (false), dann wird das Programm nach der Schleife weiter abgearbeitet und die Wiederholungen werden abgebrochen.

Bei der Schleife wird der Body (die Programmzeile, die wiederholt wird) eingerückt, ansonsten erkennt Python dies nicht. Auch ist am Ende der while-Zeile unbedingt ein Doppelpunkt nötig, um anzuzeigen, dass nun die sich wiederholenden Programmzeilen folgen.

Programm3.py

#Programm 3
from microbit import *
 
zaehler=1 #ein Zähler ist nötig, um eine Bedingung, ein Stop-Kriterium zu definieren
while (zaehler<4):
    display.scroll('Press A') 
    sleep(3000) 
    knopfdruck=button_a.get_presses()
    display.scroll(knopfdruck)
    zaehler=zaehler+1 #Der Zähler muss um eins erhöht werden!

Hier ist ein Zähler nötig, denn dadurch kann die Anzahl Wiederholungen durch das Erhöhen in jedem Durchlauf (zaehler = zaehler+1)gezählt und somit auch festgelegt werden. Die while-Bedingung ist genau dreimal erfüllt.

Die while-Schleife kann auch als endlose Schleife genutzt werden. (Erinnern Sie sich bei Scratch: „wiederhole fortlaufend“) Um diese Endlosschleife zu programmieren, kann

 while (True=True): 

oder vereinfacht

 while True: 

genutzt werden. Diese Schleife wird während immer ausgeführt, solange das Programm ausgeführt wird. Es gibt somit keine Stopp-Bedingung. Diese spezielle Schleifenart wird oft verwendet, um eine Methode immer überprüfen zu lassen, ob ein Knopf gedrückt oder ein Sensor aktiviert wird oder ähnlich. Dies ist die grosse Stärke einer while-Schleife.

  display.scroll('Press A') 
  sleep(3000) 
  knopfdruck=button_a.get_presses()
  startwert=startwert-knopfdruck
  display.scroll(startwert)

  display.scroll(number)
  number = number + 2

  display.show(Image.HEART)
  sleep(1000)
  display.show(Image('00300:'
                 '03630:'
                 '36963:'
                 '03630:'
                 '00300'))
  sleep(1000)

Ein Beispiel zum Starten, hierbei ist zu bemerken, dass ein Beschleunigungssensor, um Neigungen und Bewegungen zu erfassen genutzt werden kann.

beschleunigung1.py

#beschleunigung 1
from microbit import *
 
#Akzelerometer (Beschleunigungssensor, um Gesten und Bewegungen zu erkennen)
 
while True:
    if accelerometer.was_gesture('left'):
        display.show(Image.CONFUSED)
        sleep(200)
    else:
        display.show(Image.HAPPY)

In diesem kurzen Programm wird durch eine Endlosschleife immer wieder über den Akzelerometer überprüft, ob dieser nach links geneigt wurde. Falls dies der Fall ist, wird ein „verwirrtes“ Emoji angezeigt. Durch das if, bzw. das wenn, kann eine Bedingung mit zwei oder mehr Ausgangsmöglichkeiten implementiert werden.

Dadurch verzweig sich das Programm in zwei oder mehrere Äste. Ein einzelner Programmteil wird nur dann ausgeführt, falls die Bedingung als True (wahr) gilt, ansonsten wird dieser Teil des Programms nicht ausgeführt.

Falls es nur ein if - else-Selektion ist, dann wird es nur eine Verzweigung des Programms in 2 Programmäste geben, falls es ein if - elif -…- else -Selektion ist, dann in 3 oder mehr Teile.

beschleunigung2.py

while True:
    if button_a.was_pressed():
        display.scroll('A')
        sleep(400)
        display.clear()

from microbit import *
import music
import radio
 
zaehler=1
puls1=0
puls2=0
while (zaehler<3):
    display.show(Image.HEART)
    if (button_a.is_pressed()= True):
        display.show('Puls A')
        sleep(200)
        music.play(music.BA_DING)
        sleep(15000)
        puls1= button_a.get_presses()*4
        music.play(music.BA_DING)
        display.show('Puls A')
        display.scroll(puls1)
        zaehler =zaehler+1
    elif (button_b.is_pressed()):
        display.show('Puls B')
        sleep(200)
        music.play(music.BA_DING)
        sleep(15000)
        puls2= button_b.get_presses()*4
        music.play(music.BA_DING)
        display.show('Puls B')
        display.scroll(puls2*4)
        zaehler =zaehler+1
#senden von Informationen 
#Der Sender - Micro:bit
radio.config(group=1)
radio.on()
 
radio.send("Puls A")
radio.send(str(puls1))
radio.send("Puls B")
radio.send(str(puls2))