Lernfeld Algorithmen und Datenstrukturen

Die Materialien führen im Kontext eines Zeichenprogramms nach und nach in die wichtigsten Konzepte der Algorithmik ein. Dazu gehören die Verwendung von Anweisungen, Kontrollstrukturen und Variablen, die Kommunikation zwischen Objekten und das Zusammenfassen von Teilfunktionen in einer Operation (bei Snap! sind das die eigenen Blöcke). Diese Konzepte sollen abschließend im Rahmen eines kleinen Projektes selbständig angewendet werden.

Um dem unterschiedlichen Lerntempo der Schüler*innen und heterogenen Lerngruppen, in denen einige Schüler*innen bereits Vorkenntnisse im Bereich Algorithmik besitzen, gerecht zu werden, sind Zusatzmaterialien enthalten, die Ergänzungen auf einem komplexeren Niveau vorsehen.

Die Materialien richten sich vor allem an Lernende, die bereits erste Erfahrungen mit der Programmierung in einer blockbasierten Programmiersprache gesammelt haben und nun einen Einblick in die textbasierte Programmierung erhalten möchten. Das Materialpaket umfasst vier Themenblöcke.

Der Einstieg erfolgt über die Zeichenoperationen von Processing, die mit Benutzerinteraktionen kombiniert werden. Am Ende steht ein erstes eigenes Projekt.
Darauf aufbauend können grundlegende algorithmische Konzepte im Umgang mit Zeichenketten erarbeitet werden. Der Leitfaden orientiert sich am Leitfaden zur Zeichenkettenverarbeitung mit Snap!, so dass die Materialien auch parallel eingesetzt werden können.
Über die Gemeinsamkeiten einer blockbasierten und einer textbasierten Programmiersprache wird in einem weiteren Leitfaden die programmiersprachenunabhänge Darstellung von Programmen in Form von Struktogrammen motiviert.
Der vierte Leitfaden thematisiert das Erstellen eigener Methoden in Processing.

Die Materialien richten sich an Lernende, die bereits erste Erfahrungen in der Programmierung, z.B. in einer grafischen Programmiersprache wie Scratch oder Snap! gesammelt haben. Sie bieten einen ersten Einstieg in die Entwicklung von Programmen mit graphischer Benutzeroberfläche in Java. Im Rahmen dieses Materialpaketes wird der von Gerhard Röhner erstellte Java-Editor verwendet. Darin enthaltene Elemente zum Design von graphischen Oberflächen wie Objekt-Inspektor, Vorschaufenster und Editor findet man dabei auch in anderen Entwicklungsumgebungen wieder.

Anhand dieser Materialien können sich die Lernenden Einsatzmöglichkeiten eigener Klassen und Objekte sowie den Umgang damit erarbeiten. Dabei geht es sowohl um die Verwendung einer gegebenen Klasse als auch um den Entwurf und die Implementierung eigener Klassen.

Die Materialien richten sich an Schülerinnen und Schüler in der Qualifikationsphase. Der erste Teil, der die Kompetenzen abedeckt, die sowohl für den gA als auch den eA in Niedersachsen relevant sind, steht sowohl für Processing als auch für den Java-Editor zur Vefügung. Im zweiten Teil werden zur Vertiefung der OOP-Konzepte (z. B. um den Aspekt der Vererbung) Programme in Processing mit grafischen Ausgaben verwendet. Eine Anpassung der Beispiele und Aufgaben an Java und den Java-Editor oder andere Java-Entwicklungsumgebungen wäre aber ebenfalls möglich.

Die Materialien richten sich an Lernende in der Qualifikationsphase, die bereits Erfahrungen mit dem algorithmischen Problemlösen und der Verwendung eigener Klassen und Objekte sammeln konnten. Sie bieten einen möglichen Einstieg in die Verwendung der Datenstrukturen Stapel, Schlange und Dynamische Reihung. Als Werkzeug wird der Java-Editor verwendet. Eine Anpassung an eine andere Entwicklungsumgebung ist möglich.

Die Materialien zum Suchen und Sortieren richten sich an Schüler:innen der Qualifikationsphase. Sie können sowohl in Kursen auf grundlegendem als auch auf erhöhtem Anforderungsniveau eingesetzt werden. Die Entwicklung eigener Such- und Sortierstrategien ist programmiersprachenunabhängig. Das Materialpaket enthält u.a. Vorlagen und Lösungen zur Implementierung selbst entwickelter Such- und Sortierverfahren in Snap! und Processing sowie ein Gruppenpuzzle zur Untersuchung bekannter Sortierverfahren.

Die Materialien bieten zunächst einen entdeckenden Einstieg in den allgemeinen Aufbau und die Verwendung der Datenstruktur Binärbaum. Anschließend wird die Verwendung der Datenstruktur in der speziellen Form eines binären Suchbaums erkundet und thematisiert. Außerdem stehen Materialien zur Verfügung, die Binärbäume im Zusammenhang mit dem Kompressionsverfahren von Huffman verwenden, so dass hier eine Verknüpfung zum Thema Kompression hergestellt werden kann.

Die Materialien enthalten sowohl Aufgaben mit als auch ohne Rechner. Als Werkzeuge werden der Java-Editor oder Processing verwendet. Eine Anpassung an eine andere Entwicklungsumgebung ist möglich.