Kara (Programmierumgebung)

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Kara

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Marienkäfer
Marienkäfer

Kara, ein Marienkäfer in einer 2D-Welt
Basisdaten

Entwickler Raimond Reichert
Aktuelle Version versionslos
(27. Februar 2007)
Betriebssystem Windows, Linux, macOS, u. v. m.
Kategorie Programmier-Lernumgebung
Lizenz Freeware
deutschsprachig ja
www.swisseduc.ch

Kara ist eine Lernsoftware zur spielerischen Einführung in die Programmierung. Kara basiert auf dem Konzept endlicher Automaten und kann den sogenannten Minisprachen zugeordnet werden.

Kara ist ein programmierbarer Marienkäfer, der in einer einfachen grafischen Welt lebt und Aufgaben unterschiedlicher Schwierigkeit lösen muss, zum Beispiel Kleeblätter einsammeln oder den Weg durch ein Labyrinth finden.

Neben der Version mit grafischem Programmeditor existieren auch Versionen, die den Übergang zu realen Programmiersprachen bilden können, wie zum Beispiel Java, Ruby oder Python, sowie Umgebungen zu speziellen Themen, zum Beispiel Turingmaschinen.

Alle javafähigen Plattformen (ab J2SE, mindestens die JRE, für JavaKara sogar das JSDK) unterstützen Kara.

Geschichte

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Eine erste Version von Kara entstand von 1999 bis 2003 an der ETH Zürich unter der Beteiligung von Jürg Nievergelt, Werner Hartmann, Raimond Reichert, Markus Brändle, Tobias Schlatter, mit Beiträgen von Philipp Boksberger, Horst Gierhardt, Reto Lamprecht, Remo Meier, Horst Müller, Nicole Völki, Samuel Zürcher. Kara wird heute von Raimond Reichert[1] laufend weiterentwickelt.

Preise

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2000 gewann Kara als Diplomarbeit Raimond Reicherts den Fritz-Kutter-Preis zur Förderung praxisbezogener Informatik mit dem Titel „Ein spielerischer Einstieg ins Programmieren: Kara, der programmierbare Marienkäfer“.[2]

Er gewann 2002 mit KaraToJava den European Academic Software Award im Bereich „Computer science“ (engl. für Informatik).[3]

Versionen

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Alle Kara-Versionen und -Derivate
Alle Kara-Versionen und -Derivate

Beim Starten von Kara kann die Umgebung ausgewählt werden. Je nachdem werden die komplette Welt, das Programmfenster und die Hilfe geladen. Die Auswahl kann während der Programmausführung nicht geändert werden, allerdings kann Kara mehrfach instanziert werden.

Das Kara-Weltfenster

Die Integrierte Entwicklungsumgebung sieht immer mindestens eine selbst erzeugbare Welt sowie eine Möglichkeit, Kara automatisch handeln zu lassen, vor.

Kara an sich ist ein Marienkäfer in einer zweidimensionalen Welt, zusammen mit Baumstümpfen, Fliegenpilzen und Kleeblättern. Kleeblätter können überquert, aufgenommen und abgelegt werden. Pilze können nur verschoben werden. Bäume sind allerdings fest und führen zum Programmende, wenn Kara gegen sie läuft.

Gesteuert wird der Käfer entweder manuell über Schaltflächen neben der Weltkarte oder über ein der jeweiligen Version entsprechendes „Programm“.

Beim Ablauf eines Kara-Programmes, sei es nun logisch über Zustände in der grafischen Kara-Oberfläche oder mit JavaKara, kann die Geschwindigkeit jederzeit reguliert und die Berechnung pausiert werden.

Alle Versionen enthalten immer Aufgaben in verschiedenen Schwierigkeitsgraden, in einigen Downloads gibt es sogar Lösungen.

Kara – Programmieren mit Automaten

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Der grafische Programmeditor von Kara

Kara ist Anlaufpunkt für die endliche Automatentheorie. Es kann vorerst an einfachen Welten ausprobiert werden, wie sich Kara in seiner Welt verhält und mit ihr interagieren kann.

Nachdem wie üblich Welten erschaffen wurden, kann man in einem grafischen Programmeditor Karas Reaktionen bestimmen.

Es gibt einen Startpunkt, den das Programm anfänglich anspringt. Von dort aus werden die ersten Sensorprüfungen vorgenommen. Es können verschiedene Sensoren wie „Baum vorne?“ oder „Kleeblatt unten?“ boolesch geprüft und je nach Ergebnis des Sensors verschiedene Aktionen vorgenommen und in andere Zustände übergegangen werden.

Umgebungen für reale Programmiersprachen

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JavaKara – mit Java programmieren

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Der JavaKara-Programmeditor mit dem Standardprogramm

JavaKaras Welt ist analog zu der des herkömmlichen Kara aufgebaut, nur wird nicht mehr mit der grafischen Oberfläche, sondern mit Java programmiert. Kara kann wie üblich bewegt werden, Aktionen durchführen und seine Sensoren prüfen.

Die Kara-Bibliotheken kara, world und tools sind direkt in der allkara.jar-Klasse JavaKaraProgram implementiert. Es ist vollkommener Zugriff auf übliche Java-Kontrollstrukturen und -Pakete gegeben.

Alle JavaKara-Programme müssen einem bestimmten Grundgerüst (und natürlich geltenden Java-Regeln) folgen, damit sie syntaktisch richtig sind und damit korrekt interpretiert werden können. 

 public class /*Dateiname*/ extends JavaKaraProgram {
    public void myProgram() {
       // Hauptprogramm
    }
 }

Das Programmfenster bietet außerdem eine integrierte „Entwicklungsumgebung“ (IDE) mit automatischer Einrückung und Syntaxhervorhebung sowie eine integrierte Kompiliermöglichkeit.

Hauptentwickler Raimond Reicher selbst über JavaKara:

„[JavaKara] ist sehr zeitabhängig. Kara hingegen ist zeitlos und auch noch aktuell, wenn Java eines Tages nicht mehr aktuell ist.“

RubyKara, PythonKara, JavaScriptKara

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Wie für Java gibt es inzwischen weitere Versionen von Kara für die Programmiersprachen Ruby, Python und JavaScript.

Die üblichen Kontrollstrukturen der jeweiligen Sprache stehen vollständig zur Verfügung. Ein bestimmtes "Grundgerüst" ist anders als bei JavaKara wegen der einfacheren Syntax dieser Sprachen nicht nötig. Ein sehr einfaches, vollständiges Programm für RubyKara sieht z. B. folgendermaßen aus: 

while (!kara.treeFront){  // Eine while-Schleife läuft solange wie der wert true ist, also wahr
//!kara.treeFront Bedeutet: Ist kein Baum vor mir
  kara.putLeaf();
if (kara.onLeaf()) //if (Bedingung) und
  kara.move();// die if-Abfrage zählt nur 1 Zeile darunter
}// ende der while-Schleife

Umgebungen zu bestimmten Themen

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Derivate von Kara nutzen die gleiche Welt wie die normalen Kara-Versionen, ändern aber die Akteure und Gegenstände in ihr fundamental. Sie haben weniger mit dem normalen Lehrmittel Kara zu tun und erfordern teilweise zusätzliches Material oder Wissen.

MultiKara – nebenläufige Programmierung

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MultiKara ähnelt Kara sehr, eignet sich aber eher für fortgeschrittenere Zwecke und wird, wenn Kara als Lernumgebung genutzt wird, meistens (vorerst) übersprungen.

Im Gegensatz zum normalen Kara können hier bis zu vier Marienkäfer nebenläufig eingesetzt werden und einzeln – immer noch grafisch – programmiert werden.

Karas Welt wird um Straßensymbole, welche die Begehbarkeit eines Feldes einschränken, sowie mehrere Synchronisationsmechanismen ergänzt. So kann ein Marienkäfer beispielsweise solange gesperrt werden, bis alle anderen Marienkäfer (Threads) einen bestimmten Punkt im Programmablauf oder der Welt erreicht haben.

Außerdem können eigene Sensoren für die drei Felder um den Marienkäfer (rechts, links, vorne) und sein eigenes definiert werden. Kleeblätter gelten für jeden Käfer einzeln.

TuringKara – Turingmaschinen anschaulich

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Karas Welt Turing-vollständig
rot: Lesekopf

TuringKara ist eine Turing-vollständige Version von Kara und bietet statt des Marienkäfers Kara einen Lese- und Schreibkopf (kurz nur Lesekopf, vergleiche Festplatte).

Statt mit Natursymbolen kann die Welt mit Einsen und Nullen, Doppelkreuz oder Pfeilen belegt werden. Sie verhalten sich wie die Kleeblätter aus Kara, sind also immer unter dem Lesekopf. Es gibt keine festgelegten Funktionen für die einzelnen Symbole, so können die Pfeile beispielsweise als Wegweiser in der Welt (ähnlich einer Lochkarte) oder als Rechenoperatoren interpretiert werden.

Folgerichtig kann der Lesekopf nicht mehr – wie der Marienkäfer in Kara – die drei umliegenden Felder untersuchen, sondern nur noch seinen momentanen Standpunkt. Es wird wieder grafisch mit Zuständen und Sensorprüfungen programmiert.

LegoKara – Kara für Lego Mindstorms

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Kara modifiziert seinen Programmausgang in LegoKara RCX-gerecht. Die grafisch geschriebenen Programme können auf den RCX heruntergeladen werden.

Die Welt bietet nur noch den Marienkäfer (LegoKara), Kleeblätter (Lichtsensor) und Baumstümpfe (Drucksensor), allerdings kommen drei RCX-Funktionen links drehen, rechts drehen und Einstellungen hinzu.

Weitere Versionen

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  • ScratchKara, eine Verknüpfung der Programmierumgebungen Scratch und Kara
  • GreenfootKara, eine Implementierung von Kara in Greenfoot

Siehe auch

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Einzelnachweise

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  1. ↑ SwissEduc: Raimond Reichert
  2. ↑ Fritz-Kutter Fonds: Frühere Preisträger (Memento des Originals vom 20. August 2006 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.kutter-fonds.ethz.ch
  3. ↑ EASA 2002: KaraToJava (Memento vom 27. September 2007 im Internet Archive)

Literatur

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