Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μάθημα: ECE_Υ106 Εισαγωγή στους Υπολογιστές Εγχειρίδιο Μαθήματος Ακαδ. Έτος 2017-2018 1
Περιεχόμενα Εισαγωγή.... 3 Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα... 3 Δεξιότητες... 3 Προαπαιτήσεις... 3 Φορτίο μαθήματος... 3 Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος... 5 Διδακτικές και μαθησιακές μέθοδοι... 5 Συνιστώμενη βιβλιογραφία προς μελέτη... 6 Διδάσκοντες... 6 Ωρολόγιο Πρόγραμμα Διδασκαλίας... 7 Διδασκαλία - Φροντιστήριο... 7 Πλάνο μαθημάτων 2016-2017... 8 Φροντιστηριακές Ασκήσεις... 8 Εργαστηριακές Ασκήσεις... 8 Πλατφόρμες υποστήριξης... 9 Ομαδική Εργασία (Πρότζεκτ)... 9 Τελική εξέταση... 10 Κανονισμός μαθήματος - βαθμολογία... 11 Έκδοση 1.1 / 02.10.2016 2
Εισαγωγή. Το παρόν εγχειρίδιο περιλαμβάνει τις βασικές οδηγίες που αφορούν στο μάθημα «Εισαγωγή στους Υπολογιστές» του 1 ου έτους του Προπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το μάθημα αυτό είναι υποχρεωτικό μάθημα κορμού, με φορτίο που αντιστοιχεί σε 6 Πιστωτικές μονάδες ECTS. Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα Με την ολοκλήρωση αυτού του μαθήματος ο φοιτητής θα έχει εξοικειωθεί με τις βασικές έννοιες της επιστήμης των υπολογιστών, ακολουθώντας βιωματική προσέγγιση. Επίσης θα είναι σε θέση να διατυπώσει τρόπους επίλυσης απλών αλγοριθμικών προβλημάτων και να επιδείξει την επίλυση τους με χρήση μιας γλώσσας προγραμματισμού υψηλού επιπέδου (python). Ακόμη στόχος είναι να εμπλακούν οι φοιτητές σε συνεργατική επίλυση πιο σύνθετων προβλημάτων κατά τη φάση εκπόνησης ομαδικών εργασιών. Δεξιότητες Με την ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής αναμένεται να έχει αποκτήσει την ικανότητα χρήσης υπολογιστή για επίλυση προβλημάτων. Ικανότητα σχεδίασης της αλγοριθμικής λύσης απλών προβλημάτων και σύνταξης, ελέγχου και επίδειξης λειτουργίας προγραμμάτων σε γλώσσα υψηλού επιπέδου (Python) που υλοποιούν αυτούς τους αλγορίθμους. Προαπαιτήσεις Στοιχειώδεις γνώσεις οργάνωσης και λειτουργίας υπολογιστή και αρχές προγραμματισμού επιπέδου Γενικού Λυκείου. Φορτίο μαθήματος Το εκτιμώμενο συνολικό φορτίο του μαθήματος για τον φοιτητή αντιστοιχεί σε 177 ώρες κατά τη διάρκεια του εξαμήνου (6 πιστωτικές μονάδες), αυτές αναλύονται ως εξής: Συνοπτικά ο χρόνος αυτός αναλύεται όπως στο παρακάτω διάγραμμα: 3
Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος 1. Εισαγωγή στην Python, μεταβλητές, αριθμητικές εκφράσεις, αναπαραστάσεις αριθμών, Ψηφιακή αριθμητική. Ψηφιοποίηση Πληροφορίας. 2. Python: Βασικές εντολές, εντολές εισόδου/εξόδου, εντολές επιλογής. 3. Python: Βρόχοι επανάληψης, συναρτήσεις βιβλιοθηκών (modules), συναρτήσεις οριζόμενες από τον χρήστη 4. Python: Ακολουθίες, συμβολοσειρές, κωδικοποίηση χαρακτήρων, λίστες και λεξικά. 5. Python: Αρχεία, κλήσεις στο λειτουργικό σύστημα 6. Αντικειμενοστρεφής προγραμματισμός στην Python, Ορισμός κλάσεων, δημιουργία αντικειμένων, μέθοδοι, κληρονομικότητα. 7. Γραφικές διεπαφές χρήστη, προγραμματισμός με tkinter. 8-9. Στοιχεία αρχιτεκτονικής υπολογιστών Σύστημα Μνήμης, Ιεραρχία μνήμης, Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας. 10. Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και στο Διαδίκτυο. Δικτυακός προγραμματισμός 11. Λειτουργικά συστήματα: Διαχείριση διεργασιών, Χρονο-προγραμματισμός διεργασιών, Εικονική μνήμη. 12. Κοινωνική διάσταση πληροφορικής, ελεύθερο λογισμικό. Το μάθημα περιλαμβάνει εργαστηριακές ασκήσεις που αφορούν αλγοριθμική και προγραμματισμό και ομαδικές εργασίες. Διδακτικές και μαθησιακές μέθοδοι Θεωρία: Παραδόσεις (2 ώρες ανά διδακτική εβδομάδα). Φροντιστήριο: (1 ώρ./εβδ.) όπου επιλύονται πρότυπες ασκήσεις και ζητείται να επιλυθούν ασκήσεις από τους φοιτητές είτε ατομικά είτε σε μικρές ομάδες. Δίδονται προς επίλυση και προαιρετική παράδοση ασκήσεις είτε κατά τη διάρκεια του φροντιστηρίου είτε προς επίλυση στο σπίτι. Εργαστήριο: (2 ώρ./εβδ.) δίδονται ασκήσεις προγραμματισμού προς επίλυση με υποστήριξη από τους βοηθούς στο εργαστήριο και πιο σύνθετες ασκήσεις για επίλυση στο σπίτι. Ομαδικές Εργασίες: Ανατίθενται σύνθετες ομαδικές εργασίες (projects) που εκπονούνται από ομάδες 4-6 φοιτητών σε χρονικό διάστημα 6 εβδομάδων. Οι φοιτητές χωρίζονται σε δύο ομάδες με βάση το τελευταίο ψηφίο του αριθμού μητρώου (ΑΜ) τους. Οι φοιτητές με μονό ΑΜ ανήκουν στην ομάδα Α, ενώ οι φοιτητές με ζυγό ΑΜ ανήκουν στην ομάδα Β. Συνιστώμενη βιβλιογραφία προς μελέτη 1) Python - Εισαγωγή στους Υπολογιστές, Ν. Αβούρης,, M. Κουκιάς, Β. Παλιουράς, Κ. Σγάρμπας, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 2016 4
2) Εισαγωγή στη Σύγχρονη Επιστήμη των Υπολογιστών, Les Goldschlager, A. Lister, Μετάφραση: Κ. Χαλάτσης, Εκδ. Δίαυλος 3) Η Επιστήμη των Υπολογιστών, J. Glenn Brookshear, εκδόσεις Κλειδάριθμος Ακόμη διαφάνειες μαθήματος, και υλικό από τον ιστότοπο της γλώσσας προγραμματισμού Python και άλλες σχετικές ιστοσελίδες. Διδάσκοντες Ομάδα Α (μονός αριθμός μητρώου) Μιχάλης Κουκιάς, Κυριάκος Σγάρμπας Ομάδα Β (ζυγός αριθμός μητρώου) Νικόλαος Αβούρης, Βασίλης Παλιουράς Διδάσκοντες Εργαστηρίου: Νικόλαος Αβούρης, Βασίλης Παλιουράς, Μιχάλης Κουκιάς, Κυριάκος Σγάρμπας, Παναγιώτης Ντίλιος, Ευη Καραβατσέλου Για να επικοινωνήσετε με τους διδάσκοντες χρησιμοποιείτε το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, αναφέροντας κάθε φορά το ονοματεπώνυμό σας, τον ΑΜ σας και την ομάδα εργαστηρίου στην οποία ανήκετε. Τα στοιχεία επικοινωνίας των διδασκόντων είναι: Αβούρης Ν. avouris@upatras.gr Κουκιάς Μ. mkoukias@upatras.gr Παλιουράς Β. paliuras@ece.upatras.gr Σγάρμπας Κ. sgarbas@upatras.gr Ντίλιος Π. dilios@upatras.gr 5
Καραβατσέλου Ε. karavats@upatras.gr Ωρολόγιο Πρόγραμμα Διδασκαλίας Προσοχή: Η ώρα έναρξης των εργαστηριακών ασκήσεων είναι η έξης: Ομάδες Α1, Β1: 15:00 Ομάδες Α2, Β2: 16:45 Ομάδες Α3, Β3: 18:30. Το διδακτικό εξάμηνο διαρκεί 13 εβδομάδες. Κάθε εβδομάδα η διδασκαλία περιλαμβάνει 4,5 ώρες επαφής για κάθε φοιτητή όπως φαίνεται στο πρόγραμμα. 2 ώρες διδασκαλίας, 1 ώρα φροντιστήριο και 1,5 ώρες εργαστήριο. Διδασκαλία - Φροντιστήριο Οι φοιτητές χωρίζονται σε δύο Τμήματα. Η διδασκαλία του μαθήματος διεξάγεται στα αμφιθέατρα ΗΛ6 (ομάδα Α) και ΗΛ7 (ομάδα Β). Οι διδάσκοντες του κάθε τμήματος ακολουθούν διαφορετική πορεία και έχουν άλλες απαιτήσεις ως προς τις φροντιστηριακές ασκήσεις που ανατίθενται για επίλυση στην τάξη ή στο σπίτι. 6
Πλάνο μαθημάτων 2017-2018 Με βάση το ακαδημαϊκό ημερολόγιο θα γίνουν 13 εβδομάδες μαθημάτων. Τα μαθήματα και εργαστήρια αρχίζουν την εβδομάδα από 2 Οκτωβρίου και τελειώνουν την εβδομάδα που αρχίζει στις 8 Ιανουαρίου. Οι εξετάσεις αρχίζουν την εβδομάδα που αρχίζει στις 22 Ιανουαρίου. Το πρόγραμμα των εξετάσεων θα ανακοινωθεί από τον Πρόεδρο του Τμήματος έγκαιρα πριν την έναρξη των εξετάσεων. Φροντιστηριακές Ασκήσεις Κατά τη διάρκεια του εξαμήνου, οι φοιτητές λύνουν και υποβάλλουν φροντιστηριακές ασκήσεις. Οι εκφωνήσεις αναρτώνται είτε στο e-class είτε στην Αστραία και δίδεται προθεσμία μίας εβδομάδας για την υποβολή της λύσης. Σε περίπτωση αντιγραφής, η υποβολή ακυρώνεται. Η βαθμολογία των φροντιστηριακών ασκήσεων συνεισφέρει στην τελική βαθμολογία του φοιτητή, όπως αναφέρεται στην ενότητα Βαθμολογία. Εργαστηριακές Ασκήσεις Οι εργαστηριακές ασκήσεις διεξάγονται στον χώρο του ΚΥΠΕΣ του τμήματος, στην αίθουσα ΚΥΠΕΣ ΙΙ, κάθε Τετάρτη για τις ομάδες Α και κάθε Πέμπτη για τις ομάδες Β, σύμφωνα με το ωρολόγιο πρόγραμμα του τμήματος. Οι φοιτητές χωρίζονται σε έξι ομάδες, τις Α1,Α2, Α3, Β1, Β2 και Β3. Τα ωράρια είναι (έναρξη της άσκησης ακριβώς) : 15:00 16:30, 16:45-18:15 και 18:30 20:00. Οι ασκήσεις αφορούν σε επίλυση προβλημάτων προγραμματισμού με χρήση υπολογιστή. Η παρουσία στο εργαστήριο είναι υποχρεωτική, οι ασκήσεις δεν επαναλαμβάνονται ούτε αναπληρώνονται και οι απουσίες δεν δικαιολογούνται για κανένα λόγο. Σύμφωνα με την απόφαση της Γενικής Συνέλευσης του Τμήματος με αριθμό 2/27-10-2009, «κατόπιν 7
ψηφοφορίας, το Σώμα αποφασίζει σε περίπτωση που διεξάγονται εργαστηριακές ασκήσεις κατά τη διάρκεια φοιτητικών συνελεύσεων, οι φοιτητές που θα συμμετέχουν στις συνελεύσεις του Συλλόγου (ενώ όφειλαν να παραστούν στην εκτέλεση των εργαστηριακών ασκήσεων), θα κρίνονται ως απόντες.» Θα διεξαχθούν 12 εργαστηριακές ασκήσεις, εκ των οποίων η τελευταία έχει ιδιαίτερη βαρύτητα όπως περιγράφεται στη ενότητα Βαθμολογία. Πλατφόρμες υποστήριξης Οι φοιτητές θα πρέπει να εγγραφούν στις πλατφόρμες: eclass.upatras.gr, στην οποία η είσοδος γίνεται με τα στοιχεία που σας έχουν δοθεί κατά την εγγραφή σας. Στο eclass, θα εγγραφείτε στο μάθημα Εισαγωγή στους Υπολογιστές (Διδασκαλία 2017-2018, και θα ενταχθείτε στην αντίστοιχη ομάδα χρηστών (Ομάδα Α ή ομάδα Β). Στο χώρο του μαθήματος στο eclass, αναρτώνται οι διαλέξεις, οι φροντιστηριακές ασκήσεις, οι ανακοινώσεις που αφορούν στη διεξαγωγή του μαθήματος, των εργαστηρίων και των εξετάσεων και άλλο χρήσιμο υλικό. virtualclass.ece.upatras.gr/moodle, στην οποία θα εγγραφείτε κατά τη διάρκεια του πρώτου εργαστηρίου. Στη συγκεκριμένη πλατφόρμα θα ανακοινώνεται η εκφώνηση κάθε εργαστηριακής άσκησης και θα υποβάλλονται τα παραδοτέα, όπως αυτά θα ζητούνται, κάθε φορά στο ενημερωτικό κείμενο κάθε άσκησης. astraia.upatras.gr, στην οποία θα εγγραφείτε κατά τη διάρκεια του πρώτου εργαστηρίου. Η Αστραία θα χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση και υποβολή παραδοτέων ορισμένων εργαστηριακών ασκήσεων και την υποβολή των φροντιστηριακών ασκήσεων. Θα χρειαστεί κατά την εγγραφή στο eclass να έχουν επιβεβαιώσει τους λογαριασμούς τους ηλεκτρονικού ταχυδρομείου από το Πανεπιστήμιο, οι οποίοι είναι της μορφής upxxxxxxxxx@upnet.gr Ομαδική Εργασία (Πρότζεκτ) Κατά την 6 η εβδομάδα του εξαμήνου οι φοιτητές χωρίζονται σε ομάδες 4 6 ατόμων, οι οποίες και ανακοινώνονται. Υπάρχει η δυνατότητα δήλωσης ομάδας και θέματος προτεινόμενο από τους ίδιους τους φοιτητές στο eclass. Η κάθε ομάδα αναλαμβάνει διαφορετικό θέμα, το οποίο θα πρέπει να εκπονηθεί με τη χρήση της γλώσσας python και των απαραίτητων για κάθε θέμα βιβλιοθηκών. Το αποτέλεσμα της εργασίας θα πρέπει να υποβληθεί στο eclass μέχρι το τέλος του εξαμήνου, σε ημερομηνία που ανακοινώνεται εγκαίρως. Η ομαδική εργασία εκτελείται από όλα τα μέλη της ομάδας, που θα πρέπει να προγραμματίσουν και να οργανώσουν τις επιμέρους εργασίες και να φροντίσουν να μοιραστεί ισόποσα ο εργασιακός φόρτος, αφού η βαθμολογία είναι κοινή για τα μέλη της ομάδας. Κάθε ομάδα θα πρέπει να έρθει σε επαφή με τον προτείνοντα καθηγητή ώστε να παρουσιάζει την πορεία εκτέλεσης της ομαδικής εργασίας και να ζητήσει τη βοήθεια του διδασκόντων σε περίπτωση προβλημάτων. 8
Τα αποτελέσματα της ομαδικής εργασίας παρουσιάζονται σε ανοικτή παρουσίαση από όλα τα μέλη της ομάδας. Η παρουσίαση διαρκεί 15 λεπτά και σε αυτή παρουσιάζονται οι διαφάνειες που κατατέθηκαν μαζί με το τελικό παραδοτέο της ομαδικής εργασίας. Οι φοιτητές παρουσιάζουν το αποτέλεσμα της ομαδικής εργασίας σε πραγματικό χρόνο (εκτέλεση του προγράμματος χρησιμοποιώντας το εκτελέσιμο αρχείο που έχει δημιουργηθεί). Φυσικά εννοείται ότι τα μέλη της ομάδας θα πρέπει να είναι σε θέση κατά τη διάρκεια της παρουσίασης να απαντήσουν σε ερωτήσεις, αποδεικνύοντας τη συμμετοχή τους στο έργο. Σημειώνουμε ότι αν κάποια μέλη της ομάδας δεν παρουσιαστούν στην παρουσίαση, τότε δεν θα βαθμολογηθούν. Το παραδοτέο της ομαδικής εργασίας αποτελείται από: Έκθεση αναφορά που περιγράφει τον τρόπο οργάνωσης της ομάδας, το ρόλο των μελών προσοχή δεν είναι αποδεκτό κάποιο μέλος της ομάδας να ασχοληθεί μόνο με την συγγραφή του παραδοτέου και όχι με τη δημιουργία κώδικα -, τη μέθοδο επίλυσης του προβλήματος, οδηγίες εγκατάστασης και παραδείγματα χρήσης του προγράμματος και σε παράρτημα, τον κώδικα που αναπτύχθηκε Ξεχωριστό αρχείο κώδικα Αρχείο με οδηγίες εγκατάστασης Παρουσίαση με μέχρι 10 διαφάνειες που θα χρησιμοποιηθεί κατά την προφορική παρουσίαση της εργασίας Ο βαθμός της εργασίας προκύπτει με βάση τα εξής κριτήρια: Πρωτοτυπία και πληρότητα λύσης Τεκμηρίωση (τόσο η υποβληθείσα έκθεση όσο και τα σχόλια στο πρόγραμμα) Ποιότητα κώδικα Ομοιόμορφη συμμετοχή των μελών της ομάδας, διακριτοί ρόλοι και καλή συνεργασία των μελών Τελική εξέταση Εφόσον ο φοιτητής αποκτήσει δικαίωμα συμμετέχει στην τελική εξέταση (βλέπε επόμενη ενότητα). Η εξέταση είναι συνήθως διάρκειας από 2 έως μέγιστο 3 ώρες. Είναι εξέταση χωρίς ανοικτά βιβλία. Στην εξέταση καλείται να απαντήσει σε ερωτήματα θεωρίας και να λύσει ασκήσεις από την ύλη που διδάχτηκε. Η βαθμολογία στην τελική εξέταση είναι από 0 έως 10. Σε περίπτωση αποτυχίας δίνεται δικαίωμα συμμετοχής στην επαναληπτική εξέταση του Σεπτεμβρίου (βλέπε επόμενη ενότητα). Κανονισμός μαθήματος - βαθμολογία Για να αποκτήσει ένας φοιτητής δικαίωμα συμμετοχής στην τελική εξέταση στο μάθημα θα πρέπει να έχει εκπονήσει όλες τις εργαστηριακές ασκήσεις και να έχει βαθμολογηθεί με επιτυχία σε αυτές. Η βαθμολογία των εργαστηριακών μαθημάτων είναι της μορφής: «Επιτυχία / Αποτυχία». Ως «Αποτυχία» λογίζεται: 1. Η αδυναμία υποβολής του παραδοτέου στις προκαθορισμένες χρονικές προθεσμίες ή η πολύ ελλιπής λύση της άσκησης. 2. Η διαπίστωση αντιγραφής στο παραδοτέο που υποβλήθηκε. Η διαπίστωση μπορεί να γίνει εκ των υστέρων (κατά τη διάρκεια της διόρθωσης). 9
3. Η μη παρακολούθηση κάποιας εργαστηριακής άσκησης Ο μέγιστος αριθμός αποτυχιών που επιτρέπεται είναι σε τρεις ασκήσεις. Οι εργαστηριακές ασκήσεις διορθώνονται και βαθμολογούνται, αλλά ο βαθμός τους δεν συνυπολογίζεται στον τελικό βαθμό του μαθήματος. Αν ο φοιτητής δεν συμπληρώσει τον απαιτούμενο αριθμό παρουσιών και την απαιτούμενη βαθμολογία, επαν-εγγράφεται στο μάθημα το επόμενο έτος και επαναλαμβάνει το εργαστήριο εξ αρχής. Η επιτυχής ολοκλήρωση του εργαστηρίου διατηρείται και για τα επόμενα έτη. Η τελική βαθμολογία του μαθήματος κατά την πρώτη εξεταστική περίοδο (Φεβρουάριος του 1 ου έτους) και την πρώτη επαναληπτική εξέταση (Σεπτέμβριος του ίδιου έτους) προκύπτει από τους παρακάτω βαθμούς: Τον βαθμό της τελικής εξέτασης θεωρίας (ΘΕ) Τον βαθμό του εργαστηρίου (ΕΡ), από την εξέταση του εργαστηρίου (10 η άσκηση) Τον βαθμό της ομαδικής εργασίας πρότζεκτ (ΠΡ). Τον βαθμό των φροντιστηριακών ασκήσεων (ΦΡ). Ο βαθμός εργαστηρίου (ΕΡ) προκύπτει μόνο εάν οι φοιτητές έχουν παρουσιαστεί στα εργαστήρια, έχουν παραδώσει με επιτυχία τα αντίστοιχα παραδοτέα και δεν έχουν πάνω από τρεις (3) αποτυχίες. Σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο: Βαθμολογία μαθήματος Τελικός βαθμός μαθήματος = ΘΕ *0,5+ ΕΡ*0,2 + ΠΡ*0,2 + ΦΡ*0,1 Ο τύπος αυτός εφαρμόζεται μόνο στην περίπτωση που ο βαθμός της τελικής εξέτασης θεωρίας είναι μεγαλύτερος του 4 και μόνο κατά τον πρώτο χρόνο. Αν ο φοιτητής αποτύχει στην τμηματική και επαναληπτική εξέταση, και απαιτηθεί επανεγγραφή στο μάθημα, (στην περίπτωση της επανάληψης του μαθήματος χωρίς το εργαστήριο), η βαθμολογία του μαθήματος είναι μόνο ο βαθμός της τελικής εξέτασης. Τα παραπάνω παρουσιάζονται και στα διαγράμματα ροής που ακολουθούν στη συνέχεια. 10
Πιο λεπτομερώς ο αλγόριθμος έχει ως ακολούθως: 11
12