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

Zur Umsetzung des Wahl-Lernbereichs Theoretische Informatik – Theoretische Grundlagen von Programmiersprachen mit der Lernumgebung AtoCC Absolvententreffen

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Page 1: Zur Umsetzung des Wahl-Lernbereichs Theoretische Informatik – Theoretische Grundlagen von Programmiersprachen mit der Lernumgebung AtoCC Absolvententreffen

Zur Umsetzung des Wahl-Lernbereichs

„Theoretische Informatik – Theoretische

Grundlagen von Programmiersprachen“

mit der Lernumgebung AtoCC

Absolvententreffen TUD - Workshop

Christian Wagenknecht, Michael Hielscher Dresden, 15.03.08

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Lehrplan Ziele und Inhalte

2

Nr.  Bundesland   Lehrplaninhalt (Lernbereich) Pflichtbestandteil

1 Baden-Württemberg Bereich der theoretischen Informatik (Automaten, Berechenbarkeit)

nein

2 Bayern  3. Formale Sprachen (noch Entwurf)  3 Berlin  4.4 Sprachen und Automaten ja (auch GK)4 Brandenburg 4.4 Sprachen und Automaten Ja (auch GK)

5 Bremen Grundlagen der Theoretischen Informatik (Automaten, formale Sprachen)

nein

6 Hamburg Formale Sprachen, endliche Automaten, Keller-automaten, Scanner, Parser, Ableitungsbaum

nein 

7 Hessen Formale Sprachen und Grammatiken Automaten, Fakultativ: Übersetzerbau

ja (auch GK)

8 Mecklenburg-Vorpommern 4.4 Sprachen und Automaten ja (auch GK) 

9 Niedersachsen Eigenschaften endlicher AutomatenAspekte formaler Sprachen

nein 

10 Nordrhein-Westfalen Endliche Automaten und formale Sprachen nein

11 Rheinland-Pfalz Formale Sprachen und Automaten zur Sprachbeschreibung und Spracherkennung  

ja (nur LK)

12 Saarland Automaten und formale Sprachen Fakultativ: Übersetzerbau

ja (auch GK)

13 Sachsen  8 A: Formale Sprachen, Kellerautomat, Akzeptor nein 14 Sachsen-Anhalt Endliche Automaten und formale Sprachen nein 15 Schleswig-Holstein Automaten als mögliches Themengebiet nein16 Thüringen Themenbereich 7.3: Einblick in formale Sprachen nein 

In den meisten Bundesländern sind ausgewählte Inhalte der TI Lehrplaninhalt der Sek. II:

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Lehrplanauszug Hessen

Verbindliche Unterrichtsinhalte/Aufgaben:

Formale Sprachen und Grammatiken

reguläre und kontextfreie Grammatiken und Sprachen

Anwendung mit Syntaxdiagrammen

Chomsky-Hierarchie (LK)

kontextsensitive Sprachen (LK)

Endliche Automaten Zustand, Zustandsübergang, Zustandsdiagramm Zeichen, Akzeptor

Simulation realer Automaten (z. B. Getränkeautomat)

Anwendung endlicher Automaten (z. B. Scanner)

deterministische und nicht-deterministische Automaten (LK)

reguläre Ausdrücke (LK)

Mensch-Maschine-Kommunikation (LK)

Kellerautomaten

(LK, GK fakultativ)

Automat mit Kellerspeicher

kontextfreie Grammatiken

Klammerausdrücke, Rekursion Turing- oder Registermaschine

(LK, GK fakultativ)

Turing- oder registerberechenbar

Churchsche These

Computer als universelle symbolverarbeitende Maschine

Verhältnis Mensch-Maschine

Fakultative Unterrichtsinhalte/Aufgaben:

Übersetzerbau Scanner, Parser, Interpreter und Compiler

z. B. Steuersprache für Roboter, LOGO, Plotter oder miniPASCAL

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Lernbereich 8 A (Sächs. Lehrplan)4

GK Informatik f. Jahrgangsstufen 11 und 12, wird ab Schuljahr 2008/09 wirksam

endlicher Automat

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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

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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."

...

6

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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!!!

7

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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

8

Simulationstool – Bildungsserver HessenSimulationstool – Bildungsserver Hessen

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Unsere Ziele – nicht ohne AtoCC!!!9

1. Belastbare Motivation für TI-Inhalte durch herausfordernde

Start-Fragestellung mit Praxisrelevanz und Modellierung

eines Zielsystems (Sprachübersetzer) am Anfang

2. Vermittlungs-/Anwendungszyklen für TI-Wissen mit Projekt-

bezug (Praxis nicht als "Anhängsel" zur Theorie)

3. Komplexe Anwendung von TI-Inhalten auf sehr hohem

Abstraktionsniveau (automatisierte Compiler-Generierung),

Rückkehr zur und Konkretisierung der Modellierungsebene

Behauptung: Dabei ist AtoCC ein unverzichtbares Hilfsmittel.

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

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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 { /ypos exch def /xpos exch def xpos ypos moveto} def/turn { /orient exch orient add def} def /draw { /len exch def newpath xpos ypos moveto /xpos xpos orient sin len mul add def /ypos ypos orient cos len mul add def xpos ypos lineto stroke } def 300 400 goto100 draw 90 turn 100 … turn 10 turn

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

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Weiterer Ablauf:

1.Modellierung der Problemlösung mit TDiag

2.Syntax-Definition von ZR: formale Grammatik, Ableitungsbaum mit kfGEdit

3.Parser Akzeptoren Automatenmodelle (EA, KA) mit AutoEdit

4.Arbeitsteilung: Scanner, Parser

5.Zielsprachenbezug automatisierte Compiler-Entwicklung mit VCC

6.Teilsysteme werden in Modellierung eingebracht (TDiag)

7.Ergebnis: lauffähiger (nichttrivialer) Übersetzer, den man benutzen kann!

TDiag, kfGEdit, AutoEdit, und VCC sind Bestandteile von AtoCC.

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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

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Compiler Programm Interpreter Ein/Ausgabe an Programmbaustein

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

Entwerfen eines T-Diagramms:

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ZR2PS werden wir entwickeln, PS2PDF und Acrobat Reader wird vom System bereitgestellt.

ZR2PS werden wir entwickeln, PS2PDF und Acrobat Reader wird vom System bereitgestellt.

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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

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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

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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

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

Programm Anweisungen

Anweisungen Anweisung Anweisungen | EPSILON

Anweisung VW Zahl

| RE Zahl

| WH Zahl [ Anweisungen ]

| FARBE Farbwert

| STIFT Zahl

Farbwert rot | blau | gruen | gelb | schwarz

Zahl ErsteZiffer Ziffern

Ziffern Ziffer Ziffern | EPSILON

Ziffer 0 | 1 | ... | 9

ErsteZiffer 1 | 2 | ... | 9

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Arbeitsweise des Compilers

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Arbeitsweise eines Scanners

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Ein- und Ausgabe des Scanners:

Viele kleine endliche Automaten entscheiden welche Schlüsselworte im Quelltext stehen.

Quelltext besteht aus Zeichen und der Rechner weiß noch nicht wie diese zusammengehören.

Token als Paare[Tokenname, Lexem] z.B.: [Wiederhole, "WH"][Zahl, "12"][KlammerAuf, "["]

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

Programm Anweisungen

Anweisungen Anweisung Anweisungen | EPSILON

Anweisung VW Zahl

| RE Zahl

| WH Zahl [ Anweisungen ]

| FARBE Farbwert

| STIFT Zahl

Farbwert : rot|blau|gruen|gelb|schwarz

Zahl : [1-9][0-9]*

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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]*

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

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per Hand ergänzen

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Arbeitsweise des Parsers

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Ein- und Ausgabe des Parsers:

#false erfolgt meinst durch Ausgabe von „Syntax Error“

Grammatik von ZR in Form eines Kellerautomaten Prüft ob Wort zur Sprache gehört

Beinhaltet die aufgetretenen Terminale der Grammatik des Parsers

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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

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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.

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

Die Platzhalter $1 bis $n: In S-Attributen verwenden wir Platzhalter für die

Ergebnisse der einzelnen Regelbausteine.

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$1$1 $2$2

VWVW 2020

Eingabewort sei: VW 20 RE 10Eingabewort sei: VW 20 RE 10Eingabewort sei: VW 20 RE 10Eingabewort sei: VW 20 RE 10

Von einem Token ist $n immer des Lexem des Tokens !

Von einem Nichtterminal ist $n immer das Ergebnis $$ des Nichtterminals !

Von einem Token ist $n immer des Lexem des Tokens !

Von einem Nichtterminal ist $n immer das Ergebnis $$ des Nichtterminals !

$$ = "20 draw "$$ = "20 draw "

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Von einem Token ist $n immer des Lexem des Tokens !

Von einem Nichtterminal ist $n immer das Ergebnis $$ des Nichtterminals !

Von einem Token ist $n immer des Lexem des Tokens !

Von einem Nichtterminal ist $n immer das Ergebnis $$ des Nichtterminals !

Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

Die Platzhalter $1 bis $n: In S-Attributen verwenden wir Platzhalter für die

Ergebnisse der einzelnen Regelbausteine.

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$1$1 $2$2

WHWH 44

Eingabewort sei: WH 4 [ VW 20 ]Eingabewort sei: WH 4 [ VW 20 ]

$3$3

[[

$5$5

]]

$4$4

20 draw20 draw

$$ = "20 draw 20 draw 20 draw 20 draw "$$ = "20 draw 20 draw 20 draw 20 draw " Alle $n und $$ sind vom Datentyp String !!!

Alle $n und $$ sind vom Datentyp String !!!

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Arbeitsweise des Compilers

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Programm Anweisungen Anweisungen Anweisung Anweisungen | Anweisung VW Zahl | RE Zahl | WH Zahl [ Anweisungen ] | FARBE Farbwert | STIFT Zahl

Programm Anweisungen Anweisungen Anweisung Anweisungen | Anweisung VW Zahl | RE Zahl | WH Zahl [ Anweisungen ] | FARBE Farbwert | STIFT Zahl

WH 36 [WH 4 [VW 100 RE 90] RE 10]WH 36 [WH 4 [VW 100 RE 90] RE 10]

[Wiederhole, "WH"][Zahl, "12"][KlammerAuf" "["]…

[Wiederhole, "WH"][Zahl, "12"][KlammerAuf" "["]…

%!PS-Adobe-2.0/orient 0 def /xpos 0 def /ypos 0 def 0 0 0 setrgbcolor/goto { /ypos exch def /xpos exch

def xpos ypos moveto} def…

%!PS-Adobe-2.0/orient 0 def /xpos 0 def /ypos 0 def 0 0 0 setrgbcolor/goto { /ypos exch def /xpos exch

def xpos ypos moveto} def…

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Beispiel: ZR – eine Sprache für einen Zeichenroboter

Anwenden des Compilers auf der Modellierungsebene der T-Diagramme in TDiag.

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Hinweis auf das Buch

Wagenknecht, Chr.; Hielscher, M.:

Sprachen, Automaten und Compiler:

Ein Arbeitsbuch zur theoretischen Informatik.

Teubner, 2008

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