1.2 Programmieren#
Es gibt viele Gründe, warum es sich lohnt, Programmieren zu lernen. Die Nachfrage nach Ingenieur:innen, die zusätzlich Programmieren können, wächst aufgrund der Digitalisierung der Industrie rasant. Programmieren erfordert aber auch kritisches Denken und Problemlösungsfähigkeiten. Umgekehrt werden durch Programmieren diese Fähigkeiten gefördert. Auch fördert Programmieren das Verständnis von Technologie und Computersystemen. Es kann helfen, die Funktionsweise von Software und Hardware besser zu verstehen und Einblicke in die Arbeitsweise von Websites, Anwendungen und anderen Technologien zu gewinnen. Programmierung kann auch dabei helfen, Routineaufgaben zu automatisieren und Zeit zu sparen. Dies kann auch dazu beitragen, Fehler zu minimieren und die Effizienz zu steigern.
Lernziele#
Lernziele
Sie können erklären, was ein Algorithmus ist.
Sie wissen, was eine Programmiersprache ist.
Sie kennen den Unterschied zwischen höheren Prorgammiersprachen und Maschinensprache.
Sie wissen, was der Unterschied zwischen einer kompilierten Programmiersprache und einer interpretierten Programmiersprache ist. Sie können für beide Kategorien Beispiele benennen.
Programmieren ist wie Kochen#
Programmieren bedeutet, dem Computer eine Reihe von Anweisungen zu geben. Damit ist aber mehr gemeint, als nur das einfache “Computer, spiel mir den Song XY vor!”. Es geht darum, mit Hilfe einer Abfolge von Anweisungen ein Problem zu lösen. Dementsprechend ist ein wichtiger Aspekt des Programmierens die Fähigkeit, komplexe Probleme in kleinere, leichter zu lösende Aufgaben zu unterteilen. Diese Aufgaben können dann einzeln gelöst und in einem größeren Programm kombiniert werden, um das Problem als Ganzes zu lösen.
Diese schrittweise Vorgehensweise zur Lösung eines Problems nennt man Algorithmus. Ein Algorithmus ist ein klar definierter Satz von Anweisungen oder Regeln, die von einem Computer (oder auch von einem Menschen) ausgeführt werden können, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen.
Mini-Übung
Nehmen Sie sich 5 min Zeit, um einen Algorithmus aufzuschreiben, wie Ihr Lieblingsgericht zubereitet wird.
Lösung
Zuerst werden 1 Apfel, 1 Banane, 1 Orange und 2 Kiwis kleingeschnitten und in eine Schüssel gefüllt. Danach werden 3 EL Joghurt mit 1 TL Honig und einer Prise Zimt verrührt. Zuletzt wird das Joghurt-Dressing mit den Obststücken gemischt und angerichtet.
Kochanweisungen sind nicht immer verständlich. Es kommt auf das Hintergrundwissen der Person an, die versucht ein Gericht nachzukochen, ob die Kochanweisung verständlich ist. In dem obigen Beispiel wurde beispielsweise vorausgesetzt, dass die Abkürzungen EL für Esslöffel und TL für Teelöffel bekannt sind. Es hätten aber auch Formulierungen vorkommen können wie Mehl anschwitzen, Sauce binden, Masse stocken lassen oder Zwiebeln glasig werden lassen. Falls solche Formululierungen unverstänlich sind, liegt es aber eher daran, dass sich dahinter eine komplett eigner Kochprozess verbirgt, den man kennen muss, um das Rezept insgesamt nachzukochen.
Chefkoch bietet eine riesige Anzahl an Rezepten wie z.B. das folgende Rezept eines Rosenkohl-Auflaufs:
Die Kartoffeln und den Rosenkohl bissfest garen. Das Hackfleisch anbraten und nach Belieben eine Zwiebel zugeben. Die Sahne und den Schmand verrühren und etwas geriebenen Käse zugeben, mit Knoblauchpulver und Muskat würzen. Eine Auflaufform fetten und abwechselnd Kartoffeln, Rosenkohl, Gehacktes, Toastkäse und Sahne-Schmandmischung schichten. Anschließend den restlichen Reibekäse über den Auflauf geben. Für eine halbe Stunde in den auf 200 Grad vorgeheizten Backofen geben.
Könnten Sie dieses Rezept nachkochen? Was müsste aus Ihrer Sicht detaillierter beschrieben werden?
Mini-Übung
Listen Sie die Details auf, die dem obigen Rezept des Rosenkohl-Auflaufs zugefügt werden müssten, um auch Kochanfängern eine Möglichkeit zu bieten, das Rezept nachzukochen.
Lösung
Die Garzeiten der Kartoffeln und des Rosenkohls sind normalerweise unterschiedlich und müssten spezifiziert werden.
Wie wird Hackfleisch angebraten? Erläuterungen zum Anbraten fehlen komplett.
Angaben zur Würzung der Sahne-Schmand-Mischung fehlen.
Soll der Backofen 200 Grad bei Umluft oder Ober-/Unterhitze haben? Mittlere Schiene oder eine andere?
Auf die Idee, einen Algorithmus mit dem Kochen zu vergleichen, werden wir in spätere Kapiteln noch zurückkehren. Als nächstes beschäftigen wir uns damit, wie den Computer Anweisungen erteilt werden.
Programmiersprachen#
Eine Programmiersprache ist die formale Sprache zur Formulierung von Datenstrukturen und Algorithmen (= Abfolge von Anweisungen), die von einem Computer ausgeführt werden können.
Es gibt nicht die wichtigste oder beste Programmiersprache, sondern die Auswahl der Programmiersprache sollte sich stets nach der anvisierten Anwendung richten. Der sogenannte Tiobe-Index zeigt die Beliebtheit der 50 wichtigsten Programmiersprachen:
https://www.tiobe.com/tiobe-index/
Mini-Übung
Recherchieren Sie im Tiobe-Index nach den Programmiersprachen MATLAB und Python. Auf welchem Platz stehen die beiden Programmiersprachen aktuell?
In der Anfangszeit der Computer waren Programmiersprachen noch sehr nahe am Computern ausgerichtet. Hier sehen Sie ein Beispiel, wie in der Programmiersprache Assembler die Meldung “Hallo Welt” auf dem Monitor angezeigt wird:
Fig. 1 “Hallo Welt” in Assembler (Quelle: Wikipedia → Assemblersprache)#
In Python ist dieser Programmcode wesentlich kürzer:
print('Hallo Welt')
Hallo Welt
Heute werden nur noch die sogenannten höheren Programmiersprachen verwendet (wie Python, MATLAB oder C++), die für Menschen leichter verständlich sind. Dafür müssen dann Programme, die in höheren Programmiersprachen geschrieben sind, in Maschinensprache übersetzt werden. Verschiedene Programmiersprachen verwenden dazu unterschiedliche Prinzipien. Die beiden wichtigsten Vertreter sind
Compiler-Programmiersprachen und
Interpreter-Programmiersprachen.
Bei Compiler-Programmiersprachen wird der Programmcode vorab in Maschinensprache übersetzt und der Anwender erhält die Anwendungssoftware in Maschinensprache (bei Windows beispielsweise als exe-Datei). Den Vorgang des Übersetzens nennt man kompilieren. Bei Interpreter-Sprachen wird der Code in dem Moment in Maschinensprache übersetzt, in dem das Programm läuft bzw. ausgeführt wird. Während also das Programm läuft, muss gleichzeitig – quasi im Hintergrund – der Übersetzer arbeiten und die höhere Programmiersprache in Maschinensprache interpretieren. Daher der Name Interpreter-Sprache. Manchmal wird Code, der kompiliert wurde und dann eigenständig lauffähig ist, als Programm bezeichnet. Dahingegen wird Code, der interpretiert wird und dringend auf einen gerade laufenden Interpreter angewiesen ist, oft als Skript bezeichnet. Im Alltag geht diese Unterscheidung meist unter und wir verwenden den Begriff Programm auch für Python-Skripte.
Mini-Übung
Recherchieren Sie im Internet. Sind die folgenden Programmiersprachen kompilierte oder interpretierte Programmiersprachen?
C bzw. C++
Java
C# (ausgesprochen: C Sharp)
Visual Basic
JavaScript
Lösung
Recherchieren Sie im Internet. Sind die folgenden Programmiersprachen kompilierte oder interpretierte Programmiersprachen?
C bzw. C++ –> kompiliert
Java –> kompiliert (wird manchmal auch zu den interpretierten Sprachen gezählt, weil der kompilierte Bytecode anschließend von der Java Virtual Machine interpretiert wird und nicht vom Betriebsystem direkt ausgeführt wird)
C# –> kompliliert
Visual Basic –> kompiliert
JavaScript –> interpretiert
Insgesamt ist der Unterschied zwischen kompilierten und interpretierten Sprachen vor allem eine Frage der Geschwindigkeit und Flexibilität. Kompilierte Programme sind in der Regel schneller als interpretierte Programme, da der Maschinencode direkt vom Betriebssystem ausgeführt werden kann. Umgekehrt können Änderungen des Programms bei interpretierten Programmen schneller durchgeführt werden, da diese ja ohnehin Zeile für Zeile abgearbeitet und interpretiert werden. Dies bedeutet, dass Änderungen am Code sofort wirksam werden, ohne dass eine erneute Kompilierung erforderlich ist.
Letztendlich hängt die Wahl der Programmiersprache von den Anforderungen des Projekts ab und davon, welche Kompromisse zwischen Geschwindigkeit und Flexibilität akzeptabel sind.
Warum Python?#
Was ist überhaupt Python? Wikipedia erklärt Python folgendermaßen:
“Python ([ˈpʰaɪθn̩], [ˈpʰaɪθɑn], auf Deutsch auch [ˈpʰyːtɔn]) ist eine universelle, üblicherweise interpretierte, höhere Programmiersprache. Sie hat den Anspruch, einen gut lesbaren, knappen Programmierstil zu fördern. So werden beispielsweise Blöcke nicht durch geschweifte Klammern, sondern durch Einrückungen strukturiert.” (Quelle: Wikipedia
In dieser Vorlesung verwenden wir Python als Programmiersprache, da Python viele Vorteile bietet, die das Erlernen der Programmierung erleichtern und (hoffentlich Spaß machen):
Einfache Syntax: Python hat eine klare und leicht verständliche Syntax, die es leicht macht, die Grundlagen der Programmierung zu erlernen. Die Syntax ist lesbar und ähnelt der englischen Sprache, was das Verständnis erleichtert.
Vielseitigkeit: Python ist eine sehr vielseitige Programmiersprache, die in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden kann. Sie wird oft für Datenanalyse, künstliche Intelligenz, Webentwicklung und wissenschaftliches Rechnen verwendet.
Große Community: Python hat eine große Community von Entwicklern, die aktiv an der Weiterentwicklung der Sprache und an der Bereitstellung von Hilfestellung und Ressourcen für Anfänger beteiligt sind. Es gibt viele Online-Foren, Kurse und Tutorials, die das Erlernen der Sprache erleichtern.
Interaktiver Modus: Python bietet einen interaktiven Modus, der es Anfängern ermöglicht, Code Zeile für Zeile auszuführen und das Ergebnis sofort zu sehen. Dies macht das Experimentieren und die Suche nach Fehlern im Code sehr einfach und effektiv.
Plattformunabhängigkeit: Python kann auf verschiedenen Betriebssystemen wie Windows, Mac und Linux ausgeführt werden. Dies macht es für Anfänger leicht, die Sprache auf ihrem bevorzugten Betriebssystem zu erlernen.
Ansonsten ist es ein wenig wie mit dem Erlernen einer Fremdsprache. Die erste Fremdsprache ist die schwerste! Sprich, wenn Sie eine Programmiersprache erlernt haben und wissen, wie ein komplexes Problem in Teilaufgaben zerlegt wird, können Sie das schnell auf andere Programmiersprachen übertragen.