Programmieren lernen mit Robot Karol

Das Programm

Robot Karol ist eine Programmierumgebung mit einer Programmiersprache, die zum Erlernen des Programmierens und zur Einführung in die Algorithmik in der Schule gedacht ist. Das Programm ist Freeware und kann über den Link Karol heruntergeladen werden.

Die Oberfläche

Die Programmoberfläche von Karol ist zweigeteilt: Auf der linken Seiten befindet sich der sogenannte Editor, in dem die Programme geschrieben werden. Auf der rechten Seite ist Karols Welt, in der das verfasste Programm ausgeführt werden kann.

Objekte

In Karos Welt gibt es einige Objekte, die von Karo verteilt und wieder eingesammelt werden können. Ziegel Karol kann Ziegel vor sich hinlegen. Sollte vor ihm bereits ein Ziegel liegen, wird der nächste Ziegel auf den anderen drauf gelegt. Wenn Karol vor einem Ziegel steht und einen Schritt macht, steigt er auf den Ziegel. Allerdings kann er nicht über 2 Ziegel auf einmal steigen. Das heißt um auf einen 2er Ziegelturm zu kommen, muss er über einen davorliegenden einzelnen Ziegelstein "klettern". Marke Marken werden direkt auf das Feld unter Karol gelegt. Sie dienen zur Orientierung und haben keinen Einfluss auf Karols Bewegungsmöglichkeiten; er kann einfach darüber laufen. Im Gegensatz zu Ziegeln können nicht mehrere Marken übereinander gestapelt werden. Quader Quader versperren Karol den Weg. Er kann nicht über sie gehen. Außerdem lassen sie sich nicht stapeln.

Die Bewegungmöglichkeiten von Karol

Die Bewegungsmöglichkeiten von Karol sind recht übersichtlich. Mit den angegebenen Anweisungen kann das entsprechende Verhalten gesteuert werden.

Verhalten	Anweisung
ein Schritt vorwärts	Schritt
eine Vierteldrehung nach links	LinksDrehen
eine Vierteldrehung nach rechts	RechtsDrehen
einen Ziegel vor sich hinlegen	Hinlegen
einen Ziegel vor sich entfernen	Aufheben
eine gelbe Marke unter sich legen	MarkeSetzen
eine gelbe Marke unter sich entfernen	MarkeLöschen

Karols Welt

Auf der rechten Seite der Karoloberfläche befindet sich Karols Welt. Durch Aufruf von Welt - Neue Welt kann die gewünschte Ausdehnung der neuen Welt festgelegt werden. Wenn die Ausgangsposition vom Standardstartpunkt (1,1) abweicht oder Hindernisse zur von Karol zu lösenden Welt gehören, dann empfiehlt es sich, die Welt über Welt - Welt speichern mit der Endung .kdw abzuspeichern.

Erste Programme

Das Programm "Robot Karol" ermöglicht es uns, dem Roboter, der sich in seiner Welt bewegen und Aufgaben erfüllen kann, Anweisungen zu geben. Durch eine Anweisung (z.B. "Schritt") sendet man eine Botschaft an ein Objekt (z.B. Karol), das darauf mit der zugehörigen Methode reagiert (z.B. Schritt() ).

Aufgabe
Karol soll eine U-Form abschreiten

Lösung

umgangssprachlich formuliert	Karolprogramm
2 mal vorwärts Linksum 2 mal vorwärts Linksum 2 mal vorwärts	Schritt Schritt LinksDrehen Schritt Schritt LinksDrehen Schritt Schritt

Eine solche Folge von Anweisungen bezeichnet man als Algorithmus. Ein Algorithmus ist eine endliche Folge aus eindeutigen und ausführbaren Anweisungen zur Lösung eines allgemeinen Problems. Ein Programm ist ein Algorithmus, der in einer formalisierten Sprache abgefasst ist und maschinell ausgeführt werden kann.

Aufgaben:

Karol soll ein Rechteck ablaufen und am Ende wieder in der Ausgangsposition stehen. Damit man besser erkennt, ob Karol auch ein „U“ durchläuft, soll er dabei Marken setzen. Es soll also eine „U-Form mit Markierungen“ gebildet werden. Karol soll vier Ziegel in einer Reihe nebeneinander legen.

Lösungsvorschlag

Selbstdefinierte Methoden

Die Fähigkeiten von Karol können durch neue, zusätzliche Methoden erweitert werden. Diese selbstdefinierten Anweisungen müssen vorher vom Programmierer festgelegt werden. Neue Methoden beginnen stets mit dem Wort Anweisung und dann mit dem Bezeichner der Methode. Es folgt eine Sequenz von Anweisungen, die beim Aufruf der Methode abgearbeitet werden. Die Festlegung der Methode endet mit dem Schlüsselwort *Anweisung. Beispiel 1: Neue Methode Umdrehen Anweisung Umdrehen LinksDrehen LinksDrehen *Anweisung Aufgabe: Karol soll einen Schritt rückwärts gehen. (Die Lösung greift nun auf die Anweisung Umdrehen zu.) Anweisung Umdrehen LinksDrehen LinksDrehen *Anweisung Programm Umdrehen Schritt Umdrehen *Programm Aufgaben Bringe Karol mittels einer selbstdefinierten Anweisung bei, einen Riesenschritt auf einmal zu vollführen, der so groß wie drei normale Schritte ist. Bringe Karol den Rösslsprung bei, wie ihn die Springerfigur beim Schach ausführt. Erstelle ein Programm, so dass Karol mehrere Rösslsprünge ausführt und nach jedem Sprung eine Marke setzt. Lösungsvorschlag

Parameter

Mit Hilfe eines Parameters oder Übergabewerts können wir Programme flexibler gestalten ohne ganze Programmteile neu schreiben zu müssen. Beispielsweise können wir das Programm

Schritt
Schritt
Schritt
Hinlegen
Hinlegen
Hinlegen

kürzer schreiben als

Schritt(3)
Hinlegen(3)

Wir übergeben dabei in der Klammer hinter dem Methodenaufruf die Anzahl der Wiederholungen. Neben Schritt' und Hinlegen kann man auch Aufheben mit einem Parameterwert verwenden.

Wiederholung mit fester Anzahl

Aufgabe: Karol soll vier Ziegel in einer Reihe hintereinander legen. Erste Lösung durch sequentielles Anschreiben der Anweisungen: Hinlegen Schritt Hinlegen Schritt Hinlegen Schritt Hinlegen Schritt Bei größerer Zahl von Wiederholungen erweist sich das Ganze als ungünstig. Bessere Lösung: Wiederholung mit fester Anzahl Wiederholung mit fester Anzahl Die Anweisungen im Wiederholungsteil werden nacheinander mehrfach ausgeführt (entsprechend der angegebenen Anzahl). Sprache Karol: wiederhole n mal Anweisungen *wiederhole Die günstigere Lösung für unsere Aufgabe sieht dann wie folgt aus: wiederhole 4 mal hinlegen schritt *wiederhole Aufgabe 1: Karol soll mit Ziegeln ein Quadrat auslegen. Geschachtelte Wiederholung Beispiel: Karol soll einen Quadratrand auslegen. Lösung wiederhole 4 mal wiederhole 3 mal Hinlegen Schritt *wiederhole LinksDrehen *wiederhole Der Quadratrand besteht aus vier Seiten (äußere Schleife). Jede Seite besteht wiederum aus drei Ziegeln (innere Schleife). Aufgabe 2 Karol soll eine Welt [8x8] vollständig mit Kacheln auslegen. Schreibe dazu ein Programm, das Anweisungen für das Umdrehen und geschachtelte Wiederholungen enthält. Überlege dir zuerst eine Strategie zur Lösung der Aufgabe, bei der du sie in Teilprobleme zerlegst. Lösungsvorschlag

Wiederholung mit Anfangsbedingung

Bestimmte Problemstellungen lassen sich mit den bisherigen Methoden und Kontrollstrukturen nicht zufrieden stellend bearbeiten. Die Lösung der Aufgabe „Gehe bis zur nächsten Wand“ hängt von der Startposition Karols ab. Um unabhängig von der Ausgangsstellung zu sein, muss Karol eine Methode kennen, die eine Anfrage, ob er noch weitergehen kann, mit WAHR oder FALSCH beantwortet. Der Aufruf derartiger Methoden wird mit „Bedingung“ umschrieben. Karol hat auch Methoden, mit denen er auf eine Anfrage mit WAHR oder FALSCH antwortet. Der Aufruf einer Methode dieser Art heißt Bedingung. Von Karol vorgegebene Bedingungen sind: IstWand(), NichtIstWand(), IstZiegel(), NichtIstZiegel(), IstMarke(), NichtIstMarke(), IstSüden(), IstNorden(), IstOsten(), IstWesten(). Aufgabe: Karol soll, solange er nicht an eine Wand anstößt, vorwärts gehen. Er muss den Vorgang „Schritt“ solange wiederholen, bis er auf die Frage NichtIstWand mit WAHR antwortet, da man die Anzahl der möglichen Schritte nicht im Voraus kennt. Sie ist von der Ausgangsposition Karols abhängig. Lösung: Wiederholung mit Anfangsbedingung Die Anweisungen im Wiederholungsteil werden so oft wiederholt, solange die Bedingung WAHR ergibt. Die Überprüfung der Bedingung erfolgt am Anfang jeder Wiederholung. Sprache Karol: wiederhole solange Bedingung Anweisungen *wiederhole Aufgabe 1: Karol soll in einer rechteckigen Welt von einer Ecke aus genau einmal um die Welt herumlaufen und seine Strecke dabei mit Ziegeln belegen. Aufgabe 2: Wie Aufgabe 1. Aber nun soll Karol an einem beliebigen Ort an der Wand starten. Lösungsvorschlag

Zweiseitige bedingte Anweisung

Das Programm für die Lösung der Aufgabe "Karol soll von einem beliebigen Punkt an der Wand aus einmal an der Wand entlang genau eine Runde laufen und dabei seine Ziegel hinlegen", lässt sich dadurch vereinfachen, dass wir ihn bei jedem Schritt entscheiden lassen, was er als nächstes tut: Solange er nicht an der Wand anstößt macht er jeweils einen Schritt. Stößt er an der Wand an dreht er sich nach links. Der Vorteil ist, dass wir nicht mehr anzugeben brauchen, wie oft Karol sich drehen muss, bis er seine Runde absolviert hat. Bedingte Anweisung (zweiseitig): In Abhängigkeit davon, ob die Bedingung erfüllt wird oder nicht, werden die Anweisungen1 bzw. die Anweisungen2 ausgeführt. Sprache Karol: wenn Bedingung dann Anweisungen1 sonst Anweisungen2 *wenn Aufgabe 1: Das Beispielprogramm "Karol soll von einem beliebigen Punkt an der Wand aus einmal an der Wand entlang genau eine Runde laufen und dabei seine Ziegel hinlegen" soll in ein Programm mit einer bedingten Anweisung umgewandelt und dadurch vereinfacht werden. Aufgabe 2: Wie Aufgabe 1, nur dass Karol von einem beliebigen Feld in der Welt startet und auch wieder an seinen Ausgangspunkt zurückkehrt. a) Lösung ohne Verwendung der bedingten Anweisung. b) Lösung unter Verwendung der bedingten Anweisung. Aufgabe 3: a) Karol hat eine Reihe von Ziegelsteinen vor sich. Dort wo ein Stein liegt, soll er ihn wegnehmen, dort wo keiner liegt, soll er einen Stein hinlegen. b) Nun soll Karol das Ganze 4 mal wiederholen, wobei er jeweils an der Wand entlang zurückgehen und zu seinem Ausgangspunkt zurückkehren soll.

Lösungsvorschlag

Einseitige bedingte Anweisung

Aufgabe: Karol soll eine lückenhafte Ziegelreihe auffüllen, bis er an der Wand ankommt. Vor jedem Schritt muss er nur dann einen Ziegel legen, wenn vor ihm keiner liegt. Falls bereits ein Ziegel vor ihm liegt, geschieht nichts. Bedingte Anweisung (einseitig): Wenn die Bedingung WAHR ergibt, werden die Anweisungen ausgeführt. Sprache Karol: wenn Bedingung dann Anweisungen *wenn Lösung der obigen Aufgabe: wiederhole solange NichtIstWand wenn NichtIstZiegel dann Hinlegen *wenn Schritt *wiederhole Aufgabe: In einer Welt (9x8) sind 15 Marken beliebig verteilt. Karol soll von einem beliebigen Startpunkt ausgehend, alle Marken mit Ziegelsteinen belegen und dabei keine Marke vergessen. Teste das Programm mit verschiedenen Startpunkten von Karol. Lösungsvorschlag