Programmieren lernen mit Robot Karol
Inhaltsverzeichnis |
Das Programm
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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 (Kurzanweisung mit Downloadmöglichkeit (zip-Datei) auf der letzten Seite). |
Die Oberfläche
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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
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In Karos Welt gibt es einige Objekte, die von Karo verteilt und wieder eingesammelt werden können.
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Die Bewegungmöglichkeiten von Karol
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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
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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.
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Erste Programme
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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() ).
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Aufgabe
Karol soll eine U-Form abschreiten
Lösung
| umgangssprachlich formuliert | Karolprogramm |
|---|---|
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Schritt |
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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. |
Aufgaben:
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1. Karol soll ein Rechteck ablaufen und am Ende wieder in der Ausgangsposition stehen. 2. 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. 3. Karol soll vier Ziegel in einer Reihe nebeneinander legen. |
Selbstdefinierte Methoden
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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
Anweisung Umdrehen LinksDrehen LinksDrehen *Anweisung Programm Umdrehen Schritt Umdrehen *Programm
1. Bringe Karol mittels einer selbstdefinierten Anweisung bei, einen Riesenschritt auf einmal zu vollführen, der so groß wie drei normale Schritte ist. 2. Schreibe ein Karol-Programm, das ihn dazu bringt immer drei Schritte vorwärts und zwei zurück zu gehen. Nutze dabei die Anweisungen Umdrehen, SchrittZurueck, Riesenschritt und SillyWalk (= 3 vor, 2 zurück). 3. 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.
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Parameter
Mit Hilfe eines Parameters oder Übergabewertes 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.
Weiterhin ist es mit Robot Karol (ab Version 3.0) möglich, den Methoden Hinlegen und MarkeSetzen eine Farbe (rot, gelb, blau und grün) zu übergeben.
Beispiel:
Hinlegen(blau) MarkeSetzen(grün)
Parameter können auch im Zusammenhang mit selbstdefinierten Anweisungen verwendet werden:
Anweisung Seite(X) Schritt(X) LinksDrehen *Anweisung Seite(5) Seite(3) Seite(5) Seite(3)
Mit dieser Anweisung können wir Karol ein Rechteck beliebiger Größe bauen lassen, in diesem Fall ein Rechteck der Größe 3x5. Zu beachten ist, dass als Parameter in Anweisungen grundsätzlich X zu verwenden ist.
Aufgabe 1: Karol soll mit Hilfe von selbstdefinierten Anweisungen und Anweisungen mit Parameterwert eine Säulenhalle bauen.
Aufgabe 2: Karol soll mit Hilfe einer selbstdefinierten Anweisung mit Parameterwert eine Treppe bauen.
Wiederholung mit fester Anzahl
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Problem:
Karol soll vier Ziegel in einer Reihe hintereinander legen. 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
wiederhole n mal Anweisungen *wiederhole Die günstigere Lösung für unsere Aufgabe sieht dann wie folgt aus: wiederhole 4 mal hinlegen schritt *wiederhole
Aufgaben 1. Karol soll mit Ziegeln ein Quadrat auslegen.
2. Die bereits bekannte Aufgabe Karol soll vier Ziegel nebeneinander legen. soll mit einer Wiederholungsanweisung gelöst werden.
3.In einer Welt der Größe 6x6 soll Karol mit Marken eine Diagonale erzeugen.
4. In einer Welt der Größe 9x9 erzeugt Karol ein Kreuz aus Marken.
Geschachtelte Wiederholung Problem: Karol soll einen Quadratrand auslegen.
Lösung Der Quadratrand besteht aus vier Seiten (äußere Schleife). Jede Seite besteht wiederum aus drei Ziegeln (innere Schleife). Nach jeder Seite muss sich Karol links drehen.
Aufgaben 1. Karol soll in einer Welt der Größe 9x9 eine hübsche Gartenmauer bauen.
2. Die Aufgabe 1 im Kapitel "Parameter" (Säulenhalle) soll allein mit Wiederholungsanweisungen gelöst werden.
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Wiederholung mit Anfangsbedingung
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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.
Bei der Bedingung IstZiegel ist auch ein Parameterwert möglich, d.h. man kann z.B. eine Anweisung nur dann durchführen lassen, wenn zwei Ziegel vor Karol liegen (wenn istZiegel(2) dann Anweisung)
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 Aufgaben 1. Karol soll in einer rechteckigen Welt von einer Ecke aus genau einmal um die Welt herumlaufen und seine Strecke dabei mit Ziegeln belegen. 2. Wie Aufgabe 1. Aber nun soll Karol an einem beliebigen Ort an der Wand starten. 3. Karol soll die bereits bekannt Aufgabe Kreuz aus Marken (siehe oben) so lösen, dass er das Kreuz in beliebigen quadratischen Welten mit ungerader Kantenlänge erzeugen kann. |
Zweiseitige bedingte Anweisung
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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: Bedingte Anweisung (zweiseitig): Sprache Karol: wenn Bedingung dann Anweisungen1 sonst Anweisungen2 *wenn
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.
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. |
Einseitige bedingte Anweisung
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Aufgabe: 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 nicht IstWand
wenn nicht IstZiegel dann
Hinlegen
*wenn
Schritt
*wiederhole
Aufgaben 1. 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.
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Übungsaufgaben
Aufgabe 1
In einer Welt soll Karol spiralförmig bis zum durch eine Marke gekennzeichneten Mittelpunkt laufen. Im Beispiel handelt es sich um eine Welt der Größe 13x12. Der Mittelpunkt befindet sich auf Punkt (7/7), wobei das linke obere Feld (1/1) sei. Grundsätzlich soll das Programm jedoch in allen vergleichbaren Welten laufen. Es ist bei der Aufgabe erforderlich in der 2D-Darstellung zu arbeiten.
Das Problem sollte wie gewohnt in Teilprobleme zerlegt werden, die dann nacheinander programmiert werden. In diesem Fall lässt sich die Aufgabe in vier Teilprobleme zerlegen: Es sind am Anfang und am Ende bestimmte Schritte zu erledigen, während die Spirale selbst in zwei Teilprobleme zerlegt werden kann.
Aufgabe 2
Karol soll in einer beliebig großen Welt ein Schachbrett bauen.
Aufgabe 3
In einer quadratischen Welt mit ungeradzahliger Seitenlänge soll Karol folgendes Muster erstellen:
Aufgabe 4
Karol ist unter die Ritter gegangen. Er soll auf der Mauer seiner Burg patrouillieren, ohne herunterzufallen. Dazu muss er bei jedem Schritt überprüfen, ob er vor einer Kante steht. Als weitere Sicherheitsmaßnahme vor Feinden baut er hinter sich die Treppe ab.
Aufgabe 5
Karol soll in einer beliebig großen Welt mit gerader Länge und gerader Breite (Bild: 10x10) und 10 Ziegeln Höhe eine Zinnenmauer bauen.
Aufgabe 6
Karol soll im Ziegelparcours um die Ziegel herumlaufen und am Schluss bis zur Wand.
Aufgabe 7
Karol ist auf dem Volksfest und soll in einem Wettbewerb Bierkisten stapeln. Dazu sind auf einer Bahn in unregelmäßigen Abständen Marken verteilt. Karol soll nun bis zur anderen Wand laufen und auf jeder Marke 5 Kisten stapeln.
Aufgabe 8
Karol soll einen leeren Brunnen mit Marken als Boden bauen.
Aufgabe 9
Karol steht auf einem beliebigen Platz und mit beliebiger Blickrichtung in der oberen Hälfte seiner Welt. Er soll nun den Durchgang durch die Mauer finden und anschließend zur Wand laufen.
Aufgabe 10
Karol soll eine Pyramide in einer Welt mit maximaler Kantenlänge 20x20 bauen und mit Marken belegen.
Aufgabe 11
Karol soll wie im Video dargestellt einen Kolben imitieren. Die Größe der Welt ist 4x4x10. In den Einstellungen soll Karol eine sehr geringe Ablaufverzögerung erhalten.
