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Absolvententreffen TUD - Workshop

Absolvententreffen TUD - Workshop. Zur Umsetzung des Wahl-Lernbereichs „Theoretische Informatik – Theoretische Grundlagen von Programmiersprachen“ mit der Lernumgebung AtoCC. Christian Wagenknecht, Michael Hielscher. Dresden, 15.03.08. Lehrplan  Ziele und Inhalte.

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Presentation Transcript

  1. Absolvententreffen TUD - Workshop Zur Umsetzung des Wahl-Lernbereichs „Theoretische Informatik – Theoretische Grundlagen von Programmiersprachen“ mit der Lernumgebung AtoCC Christian Wagenknecht, Michael Hielscher Dresden, 15.03.08

  2. Lehrplan  Ziele und Inhalte In den meisten Bundesländern sind ausgewählte Inhalte der TI Lehrplaninhalt der Sek. II:

  3. Lehrplanauszug Hessen

  4. Lernbereich 8 A (Sächs. Lehrplan) endlicher Automat GK Informatik f. Jahrgangsstufen 11 und 12, wird ab Schuljahr 2008/09 wirksam

  5. TI-Inhalte in der Schulinformatik: Probleme und Chancen • Blick in die Lehrpläne verschiedener Bundesländer • totale Überfrachtung mit Fachinhalten • Formulierung von Wunschvorstellungen (z.B. TI + Compiler) (geringe didaktische Erfahrung) • Besondere Spezifik der TI (mathematische Denktechniken vs. ingenieurwissenschaftlicher Arbeitskontext der SE) wird nicht ausreichend berücksichtigt  Inhalts/Zeit-Relation  Verinnerlichung von Inhalten • Kompetenz und Motivation des Lehrpersonals

  6. Gefühlssituation der Lehrenden • "TI wollte ich nie machen." • "TI hat mich nie richtig interessiert." • "TI war mir immer zu theoretisch und abstrakt." • "Die TI-Dozenten waren suspekt – TI im postgradualen Studium erinnere ich mit Grausen." • "Die TI-Inhalten helfen mir nicht, wenn das Schulnetzwerk mal wieder zusammenbricht." • ...

  7. TI-Inhalte in der Schulinformatik: Probleme und Chancen • Zeit-Problem, Inhalte-Problem(Zusammenfassung von oben) • Manche Lehrende mögen es nicht. – Motivationsproblem Manche Lehrende können es nicht richtig. - Qualifikationsproblem SchülerInnen/Studierende fragen gelegentlich: "Wann geht es denn nun endlich richtig los mit der Informatik? Ach so, das ist es schon."  - Vermittlungsproblem "Ergebnis": Wenn möglich, TI weglassen. FALSCH!!! Chance:Informatik als Wissenschaft repräsentieren! (wie Mathematik und Naturwissenschaften)Sonst: Studienabbrecher als konkrete Folge!!!

  8. Didaktische Software für TI • in Schulen: diverse Simulationstools oder Lernumgebungen, wie Kara; meist von enthusiastischen LehrerInnen entwickelt • in Hochschulen:Systeme für die Lehre, wie JFLAP LEX und YACC für die Hand des Ingenieurs Simulationstool – Bildungsserver Hessen

  9. Unsere Ziele – nicht ohne AtoCC!!! Belastbare Motivation für TI-Inhalte durch herausforderndeStart-Fragestellung mit Praxisrelevanz und Modellierungeines Zielsystems (Sprachübersetzer) am Anfang Vermittlungs-/Anwendungszyklen für TI-Wissen mit Projekt-bezug (Praxis nicht als "Anhängsel" zur Theorie) Komplexe Anwendung von TI-Inhalten auf sehr hohemAbstraktionsniveau (automatisierte Compiler-Generierung),Rückkehr zur und Konkretisierung der Modellierungsebene Behauptung: Dabei ist AtoCC ein unverzichtbares Hilfsmittel.

  10. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter 10 Praxisnahe (echte!) Aufgabe mit grafischer Ausgabe: Entwickeln Sie einen Compiler, der die Sprache ZR (ZeichenRoboter) in PDF übersetzt. (Schülergerecht formulieren!) Eingabewort (in ZR):WH 36 [WH 4 [VW 100 RE 90] RE 10] Ausgabewort (in PS): %!PS-Adobe-2.0 /orient 0 def /xpos 0 def /ypos 0 def 0 0 0 setrgbcolor /goto { /yposexch def /xposexch def xposyposmoveto} def /turn { /orient exch orient add def} def /draw { /lenexch def newpathxposyposmoveto /xposxpos orient sin lenmul add def /yposypos orient coslenmul add def xposyposlineto stroke } def 300 400 goto 100 draw 90 turn 100 … turn 10 turn

  11. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter 11 Weiterer Ablauf: Modellierung der Problemlösung mit TDiag Syntax-Definition von ZR: formale Grammatik, Ableitungsbaum mit kfGEdit Parser  Akzeptoren  Automatenmodelle (EA, KA) mitAutoEdit Arbeitsteilung: Scanner, Parser Zielsprachenbezug  automatisierte Compiler-Entwicklung mit VCC Teilsysteme werden in Modellierung eingebracht (TDiag) Ergebnis: lauffähiger (nichttrivialer) Übersetzer, den man benutzen kann! TDiag, kfGEdit, AutoEdit, und VCC sind Bestandteile von AtoCC.

  12. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter • Wir wollen zunächst den Compilerprozess entwerfen. (Modellierung) • Verwendung von T-Diagrammen: • T-Diagramme bestehen aus 4 Bausteintypen. • Compilerbaustein, Programmbaustein, Interpreterbaustein und Ein/Ausgabe-Baustein Ein/Ausgabe an Programmbaustein Compiler Programm Interpreter

  13. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter • Entwerfen eines T-Diagramms: ZR2PS werden wir entwickeln, PS2PDF und Acrobat Reader wird vom System bereitgestellt.

  14. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter • Nachdem wir nun wissen, wie unser Compiler später eingesetzt werden soll, wenden wir uns der Entwicklung des Compilers zu. • Sprache näher betrachten • Terminale und Nichterminale festlegen • formale Grammatik definieren • Ableitungsbäume erzeugen

  15. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter • Betrachten wir die Sprache ZR und versuchen wir ihren Aufbau zu beschreiben: • VW 50 • RE 270 • RE 45 WH 2 [VW 100] • WH 4 [VW 100 RE 100] • WH 36 [WH 4 [VW 100 RE 90] RE 10]  Magnetkarten an der Tafel

  16. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter • Beschreiben wir den Baustein Zahl genauer: • 0 soll in ZR keine Zahl sein, da VW 0 oder RE 0 keine Veränderung herbeiführen. • Vorangestellte Nullen, wie bei 0815, wollen wir auch nicht erlauben. • Ergänzen wir unsere Grammatik um: ZahlErsteZiffer Ziffern ZiffernZiffer Ziffern |  Ziffer 0 | 1 | ... | 9 ErsteZiffer 1 | 2 | ... | 9

  17. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

  18. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

  19. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

  20. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter ProgrammAnweisungen AnweisungenAnweisungAnweisungen|EPSILON AnweisungVWZahl |REZahl |WHZahl[Anweisungen] |FARBEFarbwert |STIFTZahl Farbwertrot|blau|gruen|gelb|schwarz ZahlErsteZifferZiffern ZiffernZifferZiffern|EPSILON Ziffer 0 | 1 | ... | 9 ErsteZiffer 1 | 2 | ... | 9

  21. Arbeitsweise des Compilers

  22. Arbeitsweise eines Scanners Ein- und Ausgabe des Scanners: Viele kleine endliche Automaten entscheiden welche Schlüsselworte im Quelltext stehen. Token als Paare [Tokenname, Lexem] z.B.: [Wiederhole, "WH"] [Zahl, "12"] [KlammerAuf, "["] Quelltext besteht aus Zeichen und der Rechner weiß noch nicht wie diese zusammengehören.

  23. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter ProgrammAnweisungen AnweisungenAnweisungAnweisungen|EPSILON AnweisungVWZahl |REZahl |WHZahl[Anweisungen] |FARBEFarbwert |STIFTZahl Farbwert:rot|blau|gruen|gelb|schwarz Zahl : [1-9][0-9]*

  24. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter Endliche Automaten (RegExp) für alle unsere Terminale: KlammerAuf : \[ KlammerZu : \] Wiederhole : WH Rechts : RE Vor : VW Stift : STIFT Farbe : FARBE Farbwert:rot|blau|gruen|gelb|schwarz Zahl : [1-9][0-9]*

  25. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

  26. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter per Hand ergänzen

  27. Arbeitsweise des Parsers Ein- und Ausgabe des Parsers: Grammatik von ZR in Form eines Kellerautomaten  Prüft ob Wort zur Sprache gehört Beinhaltet die aufgetretenen Terminale der Grammatik des Parsers #false erfolgt meinst durch Ausgabe von „Syntax Error“

  28. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter • Entwicklung des ZR2PS Compilers in VCC • Übertragen der EA in die Scannerdefinition • Übertragen der vereinfachten Grammatik in die Parserdefinition • Entwickeln sogenannter S-Attribute für die Zielcodegenerierung

  29. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter • Zielcodegenerierung: • Der Compiler soll PostScript erstellen nicht nur #true und #false ausgeben. • Entwicklung von S-Attributen • S-Attribute sind kleine Quelltextfragmente die für jede rechte Regelseite definiert werden können. • Wird eine Regel angewendet wird auch das entsprechende Quellcodefragment ausgeführt.

  30. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter Die Platzhalter $1 bis $n: • In S-Attributen verwenden wir Platzhalter für die Ergebnisse der einzelnen Regelbausteine. Eingabewort sei: VW 20 RE 10 Eingabewort sei: VW 20 RE 10 $1 $2 • Von einem Token ist $n immer des Lexem des Tokens ! • Von einem Nichtterminal ist $n immer das Ergebnis $$ des Nichtterminals ! VW 20 $$ = "20 draw "

  31. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter Die Platzhalter $1 bis $n: • In S-Attributen verwenden wir Platzhalter für die Ergebnisse der einzelnen Regelbausteine. Eingabewort sei: WH 4 [ VW 20 ] $1 $2 $3 $4 $5 WH 4 [ 20 draw ] • Von einem Token ist $n immer des Lexem des Tokens ! • Von einem Nichtterminal ist $n immer das Ergebnis $$ des Nichtterminals ! $$ = "20 draw 20 draw 20 draw 20 draw " • Alle $n und $$ sind vom Datentyp String !!!

  32. Arbeitsweise des Compilers %!PS-Adobe-2.0 /orient 0 def /xpos 0 def /ypos 0 def 0 0 0 setrgbcolor /goto { /yposexch def /xposexch def xposyposmoveto} def … [Wiederhole, "WH"] [Zahl, "12"] [KlammerAuf" "["] … • WH 36 [WH 4 [VW 100 RE 90] RE 10] ProgrammAnweisungen AnweisungenAnweisungAnweisungen| AnweisungVWZahl |REZahl |WHZahl[Anweisungen] |FARBEFarbwert |STIFTZahl

  33. Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter • Anwenden des Compilers auf der Modellierungsebene der T-Diagramme in TDiag.

  34. Hinweis auf das Buch Wagenknecht, Chr.; Hielscher, M.: Sprachen, Automaten und Compiler: Ein Arbeitsbuch zur theoretischen Informatik. Teubner, 2008

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