Herzlich willkommen, liebe Schüler! Heute lernen wir etwas über Kontrollstrukturen in der Computerprogrammierung. Kontrollstrukturen sind wie die Wegweiser für ein Computerprogramm. Sie zeigen ihm, welchen Weg es einschlagen und was als Nächstes zu tun ist. So wie du zu Hause oder in der Schule Regeln befolgst, befolgt ein Computer Kontrollstrukturen, wenn er ein Programm ausführt.
Eine Kontrollstruktur ist eine Reihe von Anweisungen, die einem Computer bei der Ausführung eines Programms die Auswahl verschiedener Schritte vorgibt. Sie entscheidet, ob der Computer in der gleichen Reihenfolge weitermachen oder eine andere Entscheidung treffen soll.
Stellen Sie sich vor, Sie befolgen ein Rezept. Das Rezept erklärt Ihnen jeden Schritt: Zuerst Mehl und Wasser vermischen, dann ein Ei hinzufügen, umrühren und schließlich die Mischung backen. In einem Computer funktionieren Kontrollstrukturen ähnlich. Sie helfen dem Computer zu erkennen, welche Anweisung als nächstes kommt und welche Entscheidung er treffen muss, wenn es Auswahlmöglichkeiten gibt.
Es gibt drei Haupttypen von Kontrollstrukturen, die Sie heute kennenlernen werden. Diese sind:
Sequenzielle Steuerungsstrukturen weisen den Computer an, Anweisungen nacheinander in einer festgelegten Reihenfolge auszuführen. Bei der sequentiellen Steuerung gibt es keine Entscheidungsfindung. Jeder Schritt erfolgt nacheinander, genau wie beim Befolgen einer einfachen Anweisung.
Denken Sie beispielsweise an Ihre tägliche Morgenroutine:
Jede Aktivität erfolgt nacheinander in einer klaren Reihenfolge. In der Programmierung nennt man das sequentielle Ausführung . Der Computer liest die erste Anweisung, dann die zweite und dann die dritte.
Wenn wir an ein einfaches Pseudoprogramm zum Zubereiten eines Sandwiches denken, könnte es folgendermaßen aussehen:
Schritt 1: Nehmen Sie zwei Scheiben Brot.
Schritt 2: Eine Scheibe mit Butter bestreichen.
Schritt 3: Legen Sie den Käse auf die Butter.
Schritt 4: Legen Sie die beiden Scheiben zusammen. Guten Appetit!
Genau wie bei dem Sandwich, das Sie zubereiten, führt der Computer die Anweisungen einzeln aus.
Auswahlkontrollstrukturen ermöglichen es dem Computer, Entscheidungen zu treffen. Sie funktionieren wie eine Weggabelung oder ein „Wähle dein eigenes Abenteuer“-Buch. Der Computer prüft eine Bedingung oder Regel und entscheidet dann, welchem Weg er folgt.
Denken Sie beispielsweise an die Wahl Ihrer Kleidung für den Morgen. Sie könnten entscheiden: „Wenn es regnet, ziehe ich einen Regenmantel an. Wenn die Sonne scheint, ziehe ich ein T-Shirt an.“ Diese Entscheidung hilft Ihnen, auf das Wetter vorbereitet zu sein. In der Programmierung verwendet der Computer if -, else if - und else -Anweisungen, um Entscheidungen zu treffen.
Ein einfaches codeähnliches Beispiel in einfacher Sprache sieht folgendermaßen aus:
Wenn es regnet, drucken Sie „Nimm einen Regenschirm mit.“
Andernfalls drucken Sie „Kein Regenschirm erforderlich.“
Das bedeutet: Wenn die Bedingung (Regen) erfüllt ist, dann führe die Aktion (Regenschirm nehmen) aus. Andernfalls führe die andere Aktion aus.
Nehmen wir ein anderes Beispiel. Stellen Sie sich vor, Sie spielen ein Spiel, und es gibt eine Regel, die besagt: „Wenn Sie 10 Punkte erreichen, gewinnen Sie!“ Diese Regel ist wie eine Auswahlkontrollstruktur. Das Spiel prüft, ob Ihre Punkte 10 ergeben. Wenn ja, werden Sie zum Gewinner erklärt. Wenn nicht, wird weitergespielt.
Auswahlstrukturen helfen Computern, Entscheidungen zu treffen, die nur wenige Antwortmöglichkeiten haben. Sie sagen dem Computer: „Tu dies, wenn es wahr ist, und wenn nicht, tu etwas anderes.“
Iterationskontrollstrukturen weisen den Computer an, etwas immer wieder zu tun. Dies wird als Schleife oder Wiederholungsaktion bezeichnet. Wenn eine Aufgabe oft wiederholt werden muss, wird Iteration verwendet.
Denken Sie daran, wie Sie die Anzahl der Äpfel in einem Korb zählen. Sie könnten zählen: 1, 2, 3, 4, 5 und so weiter. Sie beginnen bei einer Zahl und zählen weiter, bis Sie das Ende erreichen. Dies ähnelt der Verwendung von Schleifen in einem Computer.
In der Programmierung gibt es zwei gängige Schleifentypen:
Eine For-Schleife wird verwendet, wenn Sie wissen, wie oft Sie etwas wiederholen möchten. Wenn Sie beispielsweise die gleiche Liedzeile fünfmal singen möchten, können Sie eine For-Schleife verwenden:
Singen Sie für (zählen Sie von 1 bis 5) die Zeile: „Happy Birthday!“
Der Computer zeigt fünfmal „Happy Birthday!“ an, da er den Schritt fünfmal wiederholt.
Eine While-Schleife wird verwendet, wenn der Computer etwas so lange wiederholen soll, wie eine Bedingung erfüllt ist. Wenn Sie beispielsweise einen Luftballon aufblasen, könnten Sie so lange weiterblasen, bis er groß genug ist. Die Regel könnte lauten: „Solange der Ballon nicht groß genug ist, pusten Sie weiter Luft hinein.“
Dies ist vergleichbar mit der Aussage: Solange der Ballon klein ist, blasen Sie weiter. Wenn der Ballon groß genug ist, beenden Sie die Schleife.
Hier ist ein weiteres einfaches Beispiel mit einer Schleifenidee: Stellen Sie sich vor, Sie klatschen gern in die Hände. Sie beschließen, so lange zu klatschen, bis Sie zehnmal geklatscht haben. Sie könnten sagen: „ Wiederhole 10 Mal „Klatschen“. In einem Programm zählt der Computer jedes Klatschen und stoppt, wenn er zehnmal geklatscht hat.
Kontrollstrukturen sind in der Programmierung sehr wichtig. Sie helfen dabei, die Aufgaben eines Programms so zu organisieren, dass es korrekt funktioniert. Ohne sie könnte ein Computer keine Entscheidungen treffen oder Aktionen wiederholen.
Hier sind einige Gründe, warum Kontrollstrukturen von entscheidender Bedeutung sind:
Schauen wir uns einige Beispiele aus dem Alltag an, die Kontrollstrukturen in der Programmierung widerspiegeln.
Beispiel einer Sequenzsteuerung:
Stellen Sie sich vor, Sie machen sich für die Schule fertig. Zuerst stehen Sie auf. Dann waschen Sie sich das Gesicht. Als Nächstes ziehen Sie sich an. Zum Schluss frühstücken Sie. Dies ist eine Abfolge von Aktionen, die Sie nacheinander ausführen. In der Computerprogrammierung wird sequentielle Steuerung verwendet, wenn jede Anweisung bedingungslos ausgeführt wird.
Beispiel für eine Auswahlsteuerung:
Denken Sie an die Entscheidung, die Sie bei der Wahl Ihrer Kleidung treffen. Bei kaltem Wetter tragen Sie einen warmen Pullover. Bei heißem Wetter tragen Sie ein T-Shirt. Dieser Entscheidungsprozess ähnelt der Verwendung einer „Wenn“-Anweisung durch einen Computer. Der Computer prüft das Wetter (die Bedingungen) und wählt dann die richtige Kleidungsoption (die Aktion).
Beispiel für Iterationssteuerung:
Stellen Sie sich vor, Sie erledigen eine Aufgabe, zum Beispiel das Aufräumen Ihrer Spielsachen. Möglicherweise müssen Sie viele Spielsachen aufheben. Anstatt an jedes Spielzeug einzeln zu denken, wiederholen Sie einfach dieselbe Aktion: Sie nehmen ein Spielzeug, legen es in die Spielzeugkiste und gehen zum nächsten über, bis alle aufgehoben sind. Dies ist eine sich wiederholende Aktion, genau wie eine Schleife in der Programmierung.
Manchmal können Kontrollstrukturen ineinander verschachtelt werden. Dies nennt man eine verschachtelte Kontrollstruktur . Sie entsteht, wenn eine Entscheidung oder Schleife in einer anderen liegt. Stellen Sie sich ein Spiel vor, bei dem Sie in mehreren Schritten Entscheidungen treffen. Sie könnten beispielsweise zuerst entscheiden, ob Sie nach links oder nach rechts gehen. Wenn Sie sich für links entscheiden, stehen Sie möglicherweise vor einer weiteren Entscheidung: „Steigen Sie den Hügel hinauf oder gehen Sie um ihn herum?“ Jede Entscheidung ist eine kleine Entscheidung, und sie sind ineinander verschachtelt.
Beim Programmieren ermöglicht Verschachtelung dem Computer die Bewältigung komplexerer Aufgaben. Selbst ein einfaches Spiel oder eine einfache Anwendung kann mehrere Entscheidungsebenen und Schleifen umfassen. Wenn diese Ebenen zusammenarbeiten, kann das Programm intelligentere Entscheidungen treffen und spannendere Dinge tun.
Stellen Sie sich beispielsweise ein Programm vor, das Ihnen bei der Planung eines Picknicks hilft. Es könnte zunächst fragen: „Ist das Wetter schön?“ Wenn die Antwort „Ja“ lautet, fragt das Programm anschließend: „Haben Sie genug zu essen?“ Wenn Sie erneut „Ja“ sagen, sagt das Programm: „Super! Zeit für ein Picknick!“ Bei einer „Nein“-Antwort schlägt das Programm einen anderen Plan vor. Diese verschachtelte Entscheidungsfindung hilft dem Computer, Ihre Entscheidungen besser zu verstehen.
Wenn ein Computerprogramm ausgeführt wird, befolgt es die von Ihnen eingegebenen Anweisungen in einer bestimmten Reihenfolge. Stellen wir uns ein einfaches Programm vor, das eine Begrüßung auf dem Computerbildschirm anzeigt. Das Programm könnte Folgendes tun:
Schritt 1: Starten Sie das Programm.
Schritt 2: Überprüfen Sie die Tageszeit.
Schritt 3: Wenn es Morgen ist, zeigen Sie „Guten Morgen!“ an.
Schritt 4: Wenn es Nachmittag ist, zeigen Sie „Guten Tag!“ an.
Schritt 5: Wenn es Abend ist, zeigen Sie „Guten Abend!“ an.
Schritt 6: Beenden Sie das Programm.
In diesem Programm gibt es eine klare Reihenfolge. Außerdem wird entschieden, was auf dem Bildschirm angezeigt werden soll. Der Computer verwendet hierfür eine Auswahlkontrollstruktur (die if-else -Anweisungen).
Stellen Sie sich als Nächstes vor, Sie spielen ein einfaches Computerspiel, bei dem Sie Münzen sammeln müssen. Das Programm verwendet möglicherweise eine Schleife, um jedes Mal zu prüfen, wenn Sie eine Münze einsammeln. Es zählt Ihre Münzen, während Sie sie sammeln. Wenn Sie alle Münzen eingesammelt haben, endet das Spiel. Die Schleife ist hier die Iterationskontrollstruktur, die den Zählvorgang wiederholt.
Kontrollstrukturen werden nicht nur in Schulübungen oder kleinen Programmen verwendet. Sie kommen in vielen alltäglichen Anwendungen zum Einsatz. Hier sind einige interessante Beispiele:
Diese Beispiele zeigen: Kontrollstrukturen sind allgegenwärtig! Sie sorgen dafür, dass moderne Geräte und Programme möglichst reibungslos funktionieren und unser Leben einfacher und angenehmer wird.
Schreiben wir ein einfaches Pseudocode-Beispiel. Pseudocode ist eine Möglichkeit, Programme mit einfachen Wörtern zu planen, die wie Code aussehen.
Beispiel: Ein einfacher Entscheidungsträger für Snacks
Stellen Sie sich vor, Sie möchten entscheiden, ob Sie als Snack einen Apfel oder eine Banane essen möchten. Sie können die Regeln folgendermaßen formulieren:
Wenn Sie Hunger haben und Lust auf etwas Süßes haben, dann greifen Sie zu einem Apfel.
Wenn Sie hingegen Hunger haben und etwas Weiches möchten, wählen Sie eine Banane.
Ansonsten setzen Sie sich hin und überlegen Sie, was Sie wollen.
Dieser Pseudocode sagt dem Computer: „Prüfe zuerst, ob du etwas Süßes möchtest. Wenn das zutrifft, wähle einen Apfel. Wenn nicht, wähle etwas anderes, zum Beispiel eine Banane. Wenn keine der Auswahlmöglichkeiten passt, nimm dir einen Moment Zeit, um zu entscheiden.“
Es kann hilfreich sein, sich Kontrollstrukturen wie eine Karte vorzustellen. Stellen Sie sich eine einfache Schatzkarte vor. Die Karte zeigt einen markierten Weg mit den Schritten in der richtigen Reihenfolge. Wenn Sie an eine Weggabelung kommen, zeigt Ihnen die Karte anhand eines Hinweises vom Schatz den Weg. Manchmal fordert die Karte Sie auf, demselben Weg mehrmals zu folgen, bis Sie den Schatz erreichen. All diese Anweisungen helfen Ihnen, den richtigen Weg zu finden.
Ähnlich verhält es sich mit einem Computer: Er folgt der Karte in sequentiellen Schritten, wählt an Weggabelungen den richtigen Weg und wiederholt Aufgaben iterativ, bis ein Ziel erreicht ist. Mithilfe von Kontrollstrukturen können wir einem Computer genau sagen, wie er seinen „Schatz“ – das richtige Ergebnis – erreicht.
Lassen Sie uns die wichtigen Ideen, die wir heute gelernt haben, noch einmal durchgehen:
