WS 2010/2011: Informatik für Ingenieure / Einführung in die Programmierung,  Prof. Dr.-Ing. M. Heiner

Latest update: February 01, 2011

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Zielgruppe
Zusammenfassung
Ziele
Voraussetzungen
Organisatorischer Rahmen
Inhaltsübersicht
Literatur
Vorlesungsmaterialien
Übungen

Zielgruppe

• Studierende von (Ingenieurs-) Studiengängen, deren PO den Modul 12-1-05 vorsieht; 

Zusammenfassung       

• grundlegende Begriffe der Informatik auf dem Gebiet Algorithmieren und Programmieren;
• alle praktischen Programmierfragen werden am Beispiel Java demonstriert;
  

 Ziele

• Verbesserung der Kommunikationsfähigkeiten zwischen Ingenieuren und Informatikern;
• Fähigkeiten zur realistischen Einschätzung des Machbaren durch grundlegende Kenntnisse im Entwickeln einfacher Algorithmen;
• Fähigkeiten zur besseren Beurteilung der Qualität von Softwareprodukten durch grundlegende Fertigkeiten im Programmieren;
  
  -> Learning by Doing, um die Möglichkeiten und Grenzen des Computers besser zu verstehen;
  

Voraussetzungen

• keine,
  Grundkenntnisse im Umgang mit einem Computer sind jedoch hilfreich;
  

Organisatorische Rahmen

Hinweise

Entsprechend der Rahmenregelung der BTU, die für alle Studierende gilt, erfolgt die Anmeldung für einen Modul ONLINE beim Prüfungsamt  und muß von jedem Teilnehmer eigenverantwortlich innerhalb der ersten zwei Wochen durchgeführt werden.

Von dieser Anmeldung kann man innerhalb der ersten sieben Wochen schriftlich/online zurücktreten. Für diese Veranstaltung wurde diese Frist um eine Woche verlängert und endet damit am 04.12.2010 (diese Sonderregelung wurde bestätigt) .

Mit der Anmeldung zu einer Lehrveranstaltung ist man für die zugehörige Prüfung angemeldet.

Die Lehrveranstaltung besteht pro Woche aus einem Block Vorlesung,  einem Block Laborübung und einem ergänzenden Block Hörsaalübung (4 SWS, 6 ECTS).

Vorlesungen 

dienstags, 3. Block, Audimax 2; Beginn: 12.10.2010;

Hörsaal-/Laborübungen

Gruppeneinteilung und organisatorische Leitung:
Frau  Mielcarek-Claus, claus(at)informatik(dot)tu-cottbus(dot)de
Für weitere Informationen siehe Übungsseite.

Jeder Teilnehmer muss sich zu EINER Laborübung und zu EINER Hörsaalübung anmelden. Diese Einschreibung erfolgt ONLINE über das Einschreibsystem  LEHVIS (LEHrVeranstaltungsInformationsSystem) vom 12.10.2010 - 31.10.2010 und ist für jeden Teilnehmer verpflichtend. Die Teilnahme an den Laborübungen ist verpflichtend, die Teilnahme an den Hörsaalübungen ist fakultativ.

Hörsaalübungen werden im Hörsaal durchgeführt und dienen dem interaktiven Vorrechnen von ergänzenden Übungsaufgaben, Fragen sind willkommen.

Laborübungen werden im Computerlabor durchgeführt und dienen v.a. zur Bearbeitung der Übungsblätter mit individueller Betreung durch Tutoren.

Jedes Übungsblatt enthält  Pflichtaufgaben.  Die Pflichtaufgaben sind von jedem Teilnehmer SELBSTÄNDIG zu lösen. Die Lösungen sind termin- und formgerecht und INDIVIDUELL beim Tutor per eMail abzugeben. Die Entscheidung hierüber liegt beim Tutor.

Die Lösungen werden mit 0 ("nicht bestanden!), 1 ("ausreichend") oder 2 ("gut") bewertet.

Während der Laborübungen werden zufällig ausgewählte Studenten gebeten, ihre Lösungen vorangegangener Übungsblätter zu erläutern. Sollten Sie dabei in "Erklärungsnot" geraten, gilt die Abgabe als "nicht bestanden".

Pro Laborübung sind ca 2/3 der Zeit für Hilfestellungen beim Lösen neuer Übungsaufgaben vorgesehen und 1/3 für individuelle Kontrollfragen zu eingereichten Lösungen.

Die Übungen beginnen in der zweiten Vorlesungswoche (42. KW 2010).

Prüfung

• erfolgreiche Übungsteilnahme
  Das ist eine binäre Prüfungskomponente und erfordert, daß Lösungen zu allen Pflichtaufgaben eingereicht und davon mindestens 75% mit "ausreichend" bewertet werden.
• Zwischenklausur (30 % der Gesamtpunktzahl),
  Termin: 26.11.2010, 15.45 Uhr - 16. 45 Uhr
• Abschlussklausur (70 % der Gesamtpunktzahl),
  Termin: 21.02.2011, 8.00 - 10.00 Uhr
  

Allgemeines

Inhaltsübersicht (to be updated)

Informatik, Hardware/Software,
geozentrische/heliozentrische Weltbild der Informatik,
Algorithmus, Notationen, Eigenschaften; Beispiel Euklid;

Lineare Programme (Konstanten, Variablen, Wertzuweisung, E/A-Anweisung), Typkonzept,
Verzweigte Programme (if-Anweisung, switch-Anweisung),
Programme mit Schleifen (while-Anweisung, do-while-Anweisung, for-Anweisung);
strukturierte Sprünge (break, continue);
Syntax, Semantik, Pragmatik;

Reihungen (Arrays),  Strukturen (Records) und deren Kombination;
Umgang mit Pointern (Zeigervariablen);

Motivation, Deklarationsniveau, Deklarationsreihenfolge, Abarbeitungsreihenfolge;
Unterprogramme mit/ohne Parameter bzw mit/ohne Ergebnis; Prozeduren/Funktionen;
call-by-value/call-by-reference - Parameterübergabe; Pointer als Parameter;
gleichnamige Unterprogramme; rekursive Unterprogramme;

Tolerieren einfacher Nutzungsfehler wie Overflow/Underflow bzw. unzulässiger Eingabewerte;
Reagieren auf Standard- bzw. nutzerdefinierte Ausnahmen;

zwei Klassenbibliotheken: AWT bzw. Swing, wesentliche Unterschiede;
Aufbau einer GUI aus Interaktionselementen (Button, Choice, Canvas, Label, Textfield, ...) und Darstellungsflächen (Frame, Panel, ...);
drei Layout-Prinzipien: Flow, Grid, Border;
Ereignisbehandlung: Hörerklassen, Hörerobjekte und deren geeignete "Einplanzung";

in vier Schritten vom
(1) (top-down strukturierten) monolithischen Programm über
(2) modulare Programmierung und
(3) Verwendung abstrakter Datentypen (ADT) zur
(4) objekt-orientierten Programmierung;

Darstellung der Abhängigkeiten in einem Modulgraphen = Klassendiagramm mit drei Relationen (Kantentypen): "benutzt", "implementiert", "beerbt";
die Schlüsselwörter: static, public, private, interface, implements, extends, abstract;

Grundideen der Objektorientierung:
drei Merkmale: Datenkapselung (-> ADT), Polymorphie, Vererbung;
graph. Darstellung der Vererbungshierarchie durch einen Baum (bei Einfachvererbung) -> Klassendiagramm;
Prinzip zur Auswahl der auszuführenden Operation (aufwärts entlang der Vererbungslinie);
sprachliche Feinheiten: super, this, abstract, cast (Zuschnitt);

Datei als externes Speichermedium zur Kommunikation zwischen Programmen;
Grundidee in Java: jede Art von E/A basiert auf dem Lesen/Schreiben von Datenströmen (sequentiellen Dateien); ungetypte und getypte einfache Dateiarbeit; ]

einfach und doppelt verkettete lineare Listen (Zeigerstrukturen);
Grundoperationen  zum Erzeugen, Einfügen, Löschen von Listenelementen und zum Durchlauf durch eine Liste;
Anwendungsbeispiele: dynamische Integer-Zahlen, Adjazenzlisten-Implementierung für Graphen;

Graphen in der diskreten Mathematik;
allg. Bäume: Eigenschaft, wesentliche Begriffe zur Arbeit mit Bäumen;
binäre Bäume:  Eigenschaft, zwei Implementierungsvarianten; Durchlaufverfahren: Preorder, Inorder, Postorder;
binäre Suchbäume: Eigenschaft, Suche im Suchbaum;
ausgeglichene Suchbäume;

ein allg. Verfahren zur Auswertung beliebiger Formeln mit Hilfe von Formelbäumen und dem ADT Keller;

zum Begriff der Laufzeitkomplexität - ein Ansatz zum (groben) Vergleich von Algorithmen;
elementare Verfahren, spezielle Verfahren, höhere Verfahren - ein Überblick;

Model-basierter Entwurf technischer Systeme, einige Grundbegriffe;

Literatur 

Einführung in die Informatik

• Gumm, H. P.; Sommer, M.:
  Einführung in die Informatik;
  Oldenbourg Verlag 2002, 5. Auflage, 734 p.
  
• Rechenberg, P.
  Was ist Informatik? Eine allgemeinverständliche Einführung;
  Hanser Verlag 2000, 3. Auflage, 355 p.

Einführung in die Programmierung anhand Java

• Rauh, O.:
  Objektorientierte Programmierung in Java, eine leicht verständliche Einführung;
  Vieweg Verlag 2002, 3. Auflage, 254 S.
  (Dieses Buch ist leider vergriffen; das pdf des Buches wird vom Autor hier zur Verfügung gestellt. Einige der unten angegebenen Demo-Programme stammen aus diesem Buch; diese sind mit *) gekennzeichnet.)
• Bishop, J.; Bishop, N.
  Java Gently for Engineers & Scientists;
  Addison-Wesley 2000,  436 p.
• Bishop. J.:
  Java Gently, Third Edition; Java 2 featuring Swing;
  Addison-Wesley 2001, 664 p.
  
• Bishop, J.:
  Java Lernen; Anfangen, Anwenden, Verstehen; Java Gently in dt. Übersetzung;
  Addison-Wesley 2001, 2. Auflage, 752 S mit CD.
  

• Bradley Kjell, dt. Übersetzung von Heinrich Gailer:
  Java Tutorial interaktiv, Programmieren lernen mit Java,
  uncompleted translation of Introduction to Computer Science using Java.

Vorlesungsmaterialien

zu 1.  Grundlegende Begriffe

zu 2.1 Erste Programmierschritte

Hier ein alternatives EA-Paket dssz.io.zip; entpacken und das Verzeichnis in die Systemvariable "classpath" eintragen. Hier ein Testprogramm: Wuerfel_dssz_io.java. Alle weiteren Beispiele benutzen dieses Paket "dssz.io".

DivDemo.java demonstriert den Unterschied zwischen ganzzahliger und reeller Division.

zu 2.2 Komposite Datenstrukturen/Typen

zu 2.3 Unterprogramme

zu 2.4 Robuste Programme

zu 2.5 Graphische Oberflächen

zu 2.6 Zum Programmieren im Großen

[ zu 2.7 Dateiarbeit

zu 3.3 Formelauswertung

Eine einfache Implementierung für Formeln in Postfix-Notation, die nur die vier binären Grundoperationen zulassen, diese aber in beliebiger Kombination;
basiert auf den java.util-Klassen Stack und StringTokenizer, ausserdem wird die Wrapper-Klasse Double für den primitiven Typ double verwendet;
demonstriert auch sehr schön die Trennung von Funktionalität und (textueller bzw. graphischer) Oberfläche:

 Postfixrechner.java *)    PostCalcT.java *)    PostCalcG.java *)     IntIO.class *)

zu 3.4 Sortieralgorithmen

zur Laufzeitkomplexität.pdf

hier eine txt-Datei mit dem Java-Programmkode der in der Vorlesung angesprochenen Algorithmen,
... und hier zwei Programme zur Visualisierung ausgewählter Algorithmen als jar-Dateien (Aufruf:  java -jar <file name>.jar)
sortDemo1.jar    sortDemo2.jar

zu 3.5 Petrinetze

Einführung Petrinetze.pdf (8 p.)
Hier gibt es einpaar im Web-Browser animierbare Beispiele,
diese Petrinetze.zip können mit unserem Petrinetz-Werkzeug Snoopy ausgeführt werden.

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