Vorkurs Informatik

Einleitung

Das Ziel dieses Buches ist es, eine Grundbildung in Informatik zu vermitteln, die den Einstieg in das Studium der Informatik und benachbarter Fächer erleichtern soll. Es wendet sich vor allem an Leserinnen und Leser, die keinen durchgängigen Informatikunterricht an der Schule haben oder hatten. Aber auch für diejenigen, die schon gute Kenntnisse der Informatik haben, sind Kapitel enthalten, die fortgeschrittenere Themen aufgreifen.

Im Folgenden wird zunächst eine übersicht über die Inhalte und Lernziele gegeben. Es folgen Hinweise zur Verwendung des Buches. Diese gehen von zwei wesentlichen Einsatzmöglichkeiten aus: dem begleitenden Lehrbuch für einen Vorkurs Informatik und der Grundlage zum selbstständigen Studium.

Inhalt und Lernziele

Das Buch gliedert sich in fünf Teile:

Was ist Informatik?
Programmierung
Erweiterte Programmierkonzepte
Algorithmen und Datenstrukturen
Vom Programm zum Rechner.

Die Teile sind so angelegt, dass Teil 4 und Teil 5 unabhängig voneinander sind, d. h. Teil 4 muss nicht gelesen werden, um Teil 5 zu verstehen. Teil 3 setzt den Teil 2 voraus, er wird jedoch nicht für Teil 4 und 5 benötigt.

Lernziele des Teils über Programmierung sind

Grundfähigkeiten zum Entwurf von Algorithmen als Lösung zu einem Problem
Grundfähigkeiten zur Codierung von Algorithmen als Programme
Grundfähigkeiten zum übersetzen, Korrigieren und Ausführen von Programmen
Grundkenntnisse der objektorientierten Programmierung.

Zur Codierung wird die weit verbreitete Programmiersprache Java eingesetzt. Dabei geschieht eine Konzentration auf das Wesentliche dadurch, dass eine reduzierte und vereinfachte Darstellung der elementaren Sprachkonstrukte von Java gegeben wird. Dies erlaubt, funktionsfähige Programme zu schreiben, nutzt jedoch bei Weitem nicht alle Möglichkeiten aus, die für Anfänger eher ablenkend als nutzbringend sind.

Der Teil über erweiterte Programmierkonzepte umfasst Stoff, der für die spätere Praxis der Programmierung relevant ist. Er geht eigentlich über eine Einführung in die Informatik hinaus, kann aber besonders interessierten Leserinnen und Lesern die nahtlose Möglichkeit zum weitergehenden Wissenserwerb bieten. Die Lernziele umfassen

Grundkenntnisse zur Strukturierung von Programmiersprachen und alternativen Programmierparadigmen
Erweiterte Grundkenntnisse der objektorientierten Programmierung: Vererbung, Sichtbarkeit, Polymorphismus
Grundfähigkeiten zum Einsatz von Klassenbibliotheken und Grundkenntnisse von Java-Klassenbibliotheken für Applets, Streams und Grafikprogrammierung (Swing)
Grundkenntnisse der Programmiersprache C++ und Unterschiede zwischen Java und C++
Grundkenntisse der programmiersprachenunabhängigen, modellgestützten Softwareentwicklung unter Einsatz von „Unified Modeling Language“ (UML) mit Anwendungsfalldiagramm, Klassendiagramm und Sequenzdiagramm als Hilfsmittel zur objektorientierten, grafischen Modellierung eines Anwendungsszenarios.

Lernziele des Teils über Algorithmen und Datenstrukturen sind

Grundkenntnisse zur Aufwandsanalyse von Algorithmen
Grundfähigkeiten im Umgang mit vollständiger Induktion als wichtiges Beweisprinzip
Verständnis der Arbeitsweise exemplarischer Datenstrukturen zur Datenverwaltung.

Im Teil "Vom Programm zum Rechner" sollen

Grundkenntnisse des Aufbauprinzips von Rechnern und von Maschinensprachen
Grundkenntnisse Boolescher Funktionen und Schaltungen als Grundlage heutiger digitaler Informationsverarbeitung

vermittelt werden. Außerdem soll

Verständnis für das Konzept formaler Sprachen als Grundlage heutiger Programmiersprachen und
Verständnis für das Konzept von Automaten als Mechanismus der Spracherkennung

geweckt werden.

Dabei ist zu beachten, dass die Darstellung teilweise sehr vereinfacht ist, aber die zugrundeliegenden Konzepte so wiedergegeben sind, dass eine korrekte Vervollständigung ohne Hürden zu leisten sein müsste.

Im Unterschied zu typischen Lehrbüchern der Informatik, die Grundlage von Vorlesungen entsprechenden Inhalts sind, stellt dieses Buch die Inhalte stark beispielorientiert vor. Auf Grundlage der mit diesem Buch erworbenen Kenntnisse sollte es möglich sein, mit dem notwendigerweise kompakteren Stil universitärer Lehrbücher zurecht zu kommen. Das Buch ersetzt diese Lehrbücher und entsprechende Vorlesungen nicht, da sie erheblich weiter gehen, auch wenn möglicherweise der Eindruck entsteht, dass sich manches wiederholt.

Verwendung zum selbstständigen Studium

Bei Verwendung des Buches zum selbstständigen Studium sollten die Abschnitte durchgängig gelesen und die jeweils aufgeführten Übungsaufgaben bearbeitet werden. Die Übungsaufgaben geben Anregungen zur aktiven Befassung mit dem Stoff. Sie sind meist eng an die Darstellung des entsprechenden Abschnitts angelehnt, sodass, sofern nicht unmittelbar eine Lösung gefunden wird, das nochmalige Lesen des Abschnitts mit Blick auf die gestellten Fragen helfen sollte.

Es gibt zwei Typen von Übungsaufgaben: konzeptionelle Aufgaben und Programmieraufgaben. Die Übungsaufgaben sind durch Icons am Rand hervorgehoben, wobei beide Typen mit unterschiedlichen Icons markiert sind. Die konzeptionellen Aufgaben sollten schriftlich auf Papier gelöst werden. Gegenstand der Programmieraufgaben ist die Erstellung von Programmen mit dem Ziel der Ausführung auf einem Computer, um so praktische Fertigkeit in der Programmierung zu gewinnen. Voraussetzung zur praktischen Durchführung ist ein Personal Computer (PC) mit Java-Programmierumgebung. Auf der Internet-Seite zum Vorkurs-Buch1 finden Sie Hinweise zur jeweils aktuellen Java-Programmierumgebung. Hinweise zur Installation und Verwendung werden in Kapitel 4 und den Anhängen gegeben.

Auf der vorliegenden Internet-Seite stehen zudem Lösungen für ausgewählte Aufgaben bereit zu stellen. Dabei ist zu beachten, dass bei manchen Aufgaben, insbesondere bei Programmieraufgaben, auch andere Lösungen möglich sind. Zusätzlich können von der Internet-Seite eventuelle Ergänzungen und Korrekturen heruntergeladen werden.

Nach Durcharbeiten von Kapitel 3 bis 7 sollte es möglich sein, selbstständig Programme für einfache algorithmische Problemstellungen entwerfen und schreiben zu können. Kapitel 8 bis 11 sowie 13 vermitteln weitergehende Kenntnisse zum objekt- und systemorientierten Programmieren, die insbesondere die Verwendung von Programmbibliotheken einschließen. Kapitel 12 bietet die Möglichkeit des Kennenlernens von C++ als eine weitere objektorientierte Programmiersprache von praktischer Bedeutung. Durch Bearbeiten von Kapitel 14 bis 16 werden Kenntnisse erworben, die Grundlage des Entwurfs und der Analyse von Algorithmen sind. Das Studium von Kapitel 17 und 20 gibt Einblicke in den Aufbau von Computern und Mechanismen, die stattfinden, wenn ein Programm in einer höheren Programmiersprache auf einem Computer zur Ausführung kommt.

Verwendung als vorlesungsbegleitendes Lehrbuch

Das Buch kann als vorlesungsbegleitendes Lehrbuch eines etwa dreiwöchigen Vorkurses eingesetzt werden, der täglich zwei Vorlesungsstunden, also insgesamt 15 Doppelstunden, nach folgender Aufteilung umfassen kann:

6 bis 7 Doppelstunden „Programmierung“, eventuell ergänzt durch Kapitel 9 über objektorientierte Programmierung.
3 bis 4 Doppelstunden „Algorithmen und Datenstrukturen“
3 bis 4 Doppelstunden „Vom Programm zum Rechner“.

Parallel zur Vorlesung können Übungen angeboten werden, die ausgewählte Aufgaben aus dem Buch zum Gegenstand haben. Insbesondere durch Bearbeitung ausgewählter Programmieraufgaben in einem Rechner-Pool mit Betreuung durch Tutoren können die Teilnehmerinnen und Teilnehmer an die Nutzung von Rechnern zur Programmierung herangeführt werden.

Alternativ zu dieser breiten Abdeckung von Konzepten der Informatik kann auch eine stärkere Fokussierung auf die Programmierung gelegt werden, indem der Teil „Algorithmen und Datenstrukturen“, der Teil „Vom Programm zum Rechner“ oder beide weggelassen werden. Das wird dadurch möglich, dass die beiden letztgenannten Teile unabhängig voneinander sind. Bei einer Schwerpunktsetzung auf „Programmierung“ könnte dann mit dem Teil „Erweiterte Programmierkonzepte“ im Umfang der verfügbaren Zeit fortgefahren werden.

Ihre Verbesserungsvorschläge, Fragen, Wünsche und kritischen Hinweise, die wir gerne annehmen, können uns via folgender E-Mail gesandt werden: buch@vorkurs-informatik.de