SIGACLE: SIMULADOR GRÁFICO ASISTIDO POR COMPUTADOR PARA LA ENSEÑANZA DE PROGRAMACIÓN DE LENGUAJES ESTRUCTURADOS

Transcripción

1 IV Congresso RIBIE, Brasilia 1998 SIGACLE: SIMULADOR GRÁFICO ASISTIDO POR COMPUTADOR PARA LA ENSEÑANZA DE PROGRAMACIÓN DE LENGUAJES ESTRUCTURADOS George Franco Cendales - María Paula Díaz - Rafael J. Barros gfranco@sanmartin.edu.co Se plantea la importancia que brinda el desarrollo de herramientas asistidas por computador como apoyo al proceso de enseñanza. SIGACLE (Simulador Gráfico Asistido por Computador Para la Enseñanza de Programación de Lenguajes Estructurados), tiene como principal objetivo el desarrollo de habilidades cognoscitivas en estudiantes de pregrado en las materias de programación de computadores. Este documento define específicamente los conceptos necesarios para comprender los principios de SIGACLE y además, la motivación y el propósito detrás de este. Finalmente el documento direcciona usos potenciales de SIGACLE, mediante un ejemplo completo de simulación gráfica de apuntadores. Palabras Clave: Simulación, sistemas de apoyo educativo, educación, SIGACLE. INTRODUCCIÓN El propósito de este trabajo es el apoyo al proceso de enseñanza de conceptos básicos de programación mediante el uso de simulación gráfica. En este contexto se aplican técnicas de ingeniería de software y diferentes metodologías desarrolladas en la Fundación Universitaria San Martín, desde su fundación, dentro del programa de varios cursos de pregrado. Adicionalmente, se desarrollan herramientas de ayuda utilizadas en los cursos iniciales de pregrado, que apoyan el proceso de aprendizaje. Se considera entonces la aplicación de simuladores para el aumento de habilidades. Este nuevo recurso se vuelve fundamental para el desarrollo de destrezas intelectuales: como el pensamiento estructurado y la solución de problemas por medio de estrategias heurísticas, utilizando el computador como herramienta [Galv94]. A continuación se cita la organización del documento: la sección 1 define los conceptos necesarios para la interpretación del artículo; la sección 2, la problemática tratada; la sección 3, una posible solución al problema; la sección 4, un análisis detallado y formal de la solución propuesta; la sección 5, la solución aplicada por medio de un ejemplo a un problema específico; la sección 6, las conclusiones del artículo y por último se citan las referencias utilizadas en la investigación.

2 CONCEPTOS BÁSICOS 1. Lenguaje de Programación Vocabulario y conjunto de reglas gramaticales con el fin de indicarle a un computador como realizar tareas específicas. Cada lenguaje tiene un conjunto único de vocablos (palabras con semántica) y reglas de sintaxis [Marg91]. Es un método conveniente y sencillo para describir las estructuras de información y las secuencias de acciones necesarias para llevar a cabo una tarea concreta [Deit94, Díaz96]. 2. Programa Es un conjunto de instrucciones escritas en un lenguaje de programación que, traducidas a lenguaje de máquina, desempeñan una tarea determinada [Klau84, Vill96]. 3. Compilador Es un programa que traduce código fuente a código objeto, donde código fuente es un programa escrito en un lenguaje de programación y código objeto es un programa escrito en lenguaje de máquina [Aho73, Abel72, Lem74]. 4. Memoria Son áreas de almacenamiento interno en el computador. Se puede pensar en la memoria como un arreglo de casillas, donde cada una puede almacenar información [Marg91, Morr82]. 5. Dirección de memoria Es el lugar en la memoria del computador donde se almacenan los datos e instrucciones [Abel96]. Cada casilla de memoria tiene una dirección que designa un lugar específico, único, en la memoria[marg91]. 6. Apuntador Es un tipo especial de variable que puede almacenar una dirección de memoria [Marg91]. 7. Instrucción Es una expresión que consulta o transforma la memoria. Se define como un conjunto de caracteres que realiza una o varias operaciones, asociadas o no, con una o más direcciones de memoria. Una vez decodificada produce el inicio de un proceso determinado en la máquina. Se compone de una parte operativa, que indica la operación a realizar y n longitudes denominadas [Abel72]. 8. Algoritmo Es la especificación formal de un procedimiento paso a paso para resolver un problema propuesto. Las instrucciones representan la estructura del proceso y su orden la secuencia de ejecución [Marg91].

3 LA PROBLEMÁTICA Se debe encontrar un modelo de simulación que apoye el proceso de enseñanza aprendizaje en los cursos iniciales de programación de computadores en pregrado. Dada una descripción completa de la gramática del lenguaje, se debe encontrar un algoritmo que permita la depuración de un programa. Para ello se necesita analizar la sintaxis y semántica del código. En la fase inicial del proyecto se propone el simulador para lenguaje C. LA SOLUCIÓN PROPUESTA La aproximación propuesta trabaja sobre el archivo fuente en dos fases: análisis y síntesis. La parte de análisis divide el programa fuente en sus elementos componentes y crea una representación intermedia. La parte de síntesis construye el modelo de la ejecución del programa a partir de la representación intermedia. Soluciones similares se proponen industrialmente en diferentes herramientas, las cuales tratan el problema de simular paso a paso la ejecución de un programa. A diferencia de los métodos anteriores, la función de SIGACLE es apoyar el proceso de enseñanza - aprendizaje y lograr visualizar conceptos de programación de una manera gráfica. Cuando se usa un depurador normal se lleva al estudiante a seguir la secuencia lógica de todo el proceso numérico de su algoritmo. En este trabajo se presenta el espacio de ejecución, en un ambiente gráfico, por medio de un método de depuración con un proceso predeterminado, que visualiza en pantalla lo que ocurre en los diferentes dispositivos del computador. El objetivo pedagógico es presentar al estudiante vistas diferentes de lo que sucede en la máquina al ejecutar un programa. Para esto utiliza técnicas de compilación operando en fases bien definidas, cada una de las cuales transforma el código fuente de una representación en otra [Aho73]. Simular gráficamente la depuración de un programa es un concepto que intenta resolver el problema que tiene el estudiante cuando escribe un programa de computador. Al principio, el estudiante no es consciente de la importancia de utilizar metodologías para el desarrollo de programas; ya sean estrategias de planeación y modelaje, o el uso de técnicas formales como el Personal Software Process (PSP) [Hum94, Hum97]. Por lo general, él se dedica a escribir código de forma artesanal, dejando el problema de corrección al compilador. Las fuentes de error al realizar la compilación del código fuente del programa son de origen sintáctico, semántico ó lógico. Generalmente, el compilador ayuda al programador a identificar y localizar errores de sintaxis; la estrategia comúnmente usada es la corrección global que, dada una cadena de entrada incorrecta x y la gramática G, utiliza algoritmos que generan un árbol de análisis sintáctico para una cadena relacionada y, tal que el número de inserciones, supresiones y modificaciones de componentes léxicos necesarios para transformar x en y sea el mínimo posible. Un compilador debe comprobar si el programa fuente sigue las convenciones semánticas del lenguaje de programación. Esta comprobación es llamada estática, y

4 garantiza la detección y comunicación de errores de tipos, de flujo de control, de unicidad y de nombres. Existen algunos errores en los que un compilador normalmente no tiene forma de recuperarse, son llamados errores lógicos. Estos consisten en construcciones correctas, sintáctica y semánticamente, con consecuencias no deseadas. La solución que proporcionan lenguajes de programación como C o Pascal, es la depuración del programa fuente. Al no ser una opción viable para los niveles iniciales de pregrado debido a su complejidad, se presenta SIGACLE como una aproximación a la solución del problema. Al utilizar un ambiente gráfico que muestra el estado de la memoria y la forma como las instrucciones del programa lo afectan, permite al estudiante comprender las acciones internas que ocurren en el computador. SIGACLE utiliza dos enfoques para lograr su objetivo: Un primer módulo de enseñanza dirigida, enfoque conductista, que cuenta con secuencias preparadas de programas ilustrativos diseñados por el profesor titular de la materia, incluyendo la depuración de algoritmos para la comprensión de los conceptos básicos de programación por parte de los estudiantes. Un segundo módulo de enseñanza exploratoria, enfoque inductivo, en el cual el estudiante resuelve problemas, aprende procedimientos, llega a entender las características de los procesos y cómo controlarlos, y finalmente aprende qué acciones llevar a cabo en diferentes circunstancias simuladas a la realidad interna del computador. Lo esencial en este caso es que el estudiante es un agente activo que debe procesar la información que el simulador le proporciona. FORMALIZACIÓN DEL MÉTODO Se propone la construcción de un sistema basado en técnicas eficientes de compilación y visualización gráfica, como una posible aproximación a la solución del problema [Aho73]. A continuación se describe el método que se lleva a cabo cuando se ejecuta un programa generado por un usuario: 1. Análisis Léxico Se encarga de leer los caracteres de entrada, archivo fuente, y elaborar como salida una secuencia de componentes léxicos. Consiste en un análisis lineal del texto fuente donde los caracteres de las diversas proposiciones se agrupan en alguno de los siguientes componentes léxicos: identificadores, palabras reservadas, operadores, constantes, cadenas y signos de puntuación como paréntesis, coma y punto y coma. Tabla 1. Componentes Léxicos Componente léxico Lexemas de ejemplo Descripción informal Const Const Const if If if Relación <, <=, >, >=, = =,!= < 0 <= 0 Id Pi, cuenta, d2 Letra seguida de letras y dígitos Num , 0 Cualquier constante numérica Literal Refresque pantalla Cualquier caracter

5 El componente léxico también permite la recuperación de errores en los siguientes niveles: Borra caracteres extraños en un componente léxico Inserta un caracter que falta en un componente léxico Reemplaza un caracter incorrecto por uno correcto en un componente léxico Intercambia dos caracteres adyacentes en un componente léxico 2. Análisis Sintáctico Al obtener una cadena de componentes léxicos, el analizador sintáctico comprueba si la cadena puede ser generada o no por la gramática del lenguaje fuente. El proceso de análisis se puede apreciar en la siguiente figura: Código Fuente Analizador Léxico Analizador Sintáctico Compilación Tabla de Símbolos Figura 1. Proceso de análisis sintáctico El algoritmo de solución se basa en un método de análisis descendente, construyendo un árbol binario de sintaxis que examina los componentes léxicos de entrada de izquierda a derecha, un símbolo a la vez. Las principales funciones de este componente son: Recoger la información sobre distintos componentes léxicos en la tabla de símbolos Realizar la verificación de tipos y otras clases de análisis sintáctico. 3. Análisis Semántico Se basa en las construcciones semánticas del lenguaje, la noción de tipos y las reglas para asignar tipos a las construcciones del lenguaje [Aho73, Deit94, Vill96]. Expresiones de tipo Un tipo básico de un lenguaje es una expresión de tipo. Entre los tipos básicos se encuentran los booleanos, caracteres, enteros y reales. Se puede dar nombre a las expresiones de tipos. Construcción de tipos: Matrices: si T es una expresión de tipo entonces vector(i, T) es una expresión que indica el tipo de una matriz, con elementos de tipo T y conjunto de índices I a. Productos: si T1 y T2 son expresiones de tipo entonces su producto cartesiano es una expresión de tipo.

6 b. Registros: se aplica a túplas formadas con nombres de campos y tipos de campos. c. Apuntadores: si T es una expresión de tipo, entonces apuntador(t) es una expresión de tipo que indica el tipo de apuntador a un objeto de tipo T. d. Funciones: son transformaciones de un dominio tipo D a un rango tipo R, la expresión de tipo D R indica el tipo de dicha función. Comprobación de tipos Realiza una comprobación estática de tipos antes de ejecutar gráficamente el programa y por lo tanto garantiza que los programas que compilen sin ningún error se ejecutaran sin problemas de unicidad. Sistemas de Tipos Existen expresiones para realizar operaciones con los tipos, como regla general se tiene implícita la idea de que cada expresión tiene asociada un tipo [Aho73]. Conforme avanza la compilación del archivo fuente, el simulador informa si existen errores de tipos, de unicidad, de control de flujo, y efectúa comprobaciones relacionadas con nombres para actualizar su tabla de signos en una estructura dinámica, con el objeto de llevar un registro del ámbito y de las relaciones existentes entre los nombres. Así, cuando encuentre un nombre o información nueva sobre una variable ya existente podrá actualizar sus registros. El diseño de la tabla de símbolos permite la realización de e consultas sobre n nombres en un tiempo proporcional a n(n+e)/m, para cualquier constante m elegida, m puede llegar a ser igual a n dando como resultado un método bastante eficiente de verificación. 4. Ejecución Gráfica Es la simulación de la ejecución normal de un programa. El simulador genera el proceso de referencias a tipos y funciones, obteniendo la información de la tabla de símbolos, la cual es construida por el componente sintáctico del simulador. Luego se despliega en pantalla un explorador de ejemplos por tema y un editor de texto en el cual se pueden escribir programas nuevos. En el proceso de ejecución se muestran cuatro ventanas: la ventana de código fuente, la ventana de explicación, la ventana de pantalla y la ventana de memoria interna. La primera visualiza el código que se está ejecutando; la segunda explica línea por línea las acciones que se están realizando en la ventana de código; la tercera visualiza todas las entradas y salidas del programa, y la cuarta, simula gráficamente el proceso de ejecución interna de este. EJEMPLO A continuación se presenta un ejemplo para ilustrar el proceso, en diferentes situaciones. La generación gráfica de este ejemplo implica operaciones de creación de tipos: datos enteros y apuntadores a tipos de datos enteros. Adicionalmente, se realizan asignaciones simples, direccionamiento en memoria y salida por pantalla.

7 Se procede a generar la secuencia básica de imágenes, (ver figuras 2 y3) que el simulador le proporcionaría a un usuario al ejecutar un programa: Figura 2. Un programa listo para empezar su ejecución gráfica Figura 3 El programa realiza direccionamiento en memoria

8 CONCLUSIONES SIGACLE constituye una herramienta de apoyo al proceso de enseñanza de conceptos básicos de programación mediante el uso de simulación gráfica. Se espera brindar soporte al proceso educativo, en el área de programación de computadores en las universidades que lo utilicen. Actualmente se realizan estudios de aceptación para validar la mejora al proceso real de aprendizaje con estudiantes que participan en pruebas piloto realizadas con el simulador. La continuación del trabajo sigue en el proceso de reingeniería aplicando teoría de patrones de diseño y la implantación en un lenguaje orientado por objetos para fortalecer la posibilidad de mantener y extender la aplicación. En necesario mejorar la representación gráfica de los objetos de memoria adicionando algoritmos de visualización de grafos. Al revisar en detalle el método propuesto y hacer una evaluación práctica, se puede concluir que sus mayores fortalezas son: La genericidad obtenida al haber sido implementado con base en un modelo orientado a objetos. Su amplio margen de efectividad Las posibilidades de aprendizaje y el diseño gráfico de visualización También es posible afirmar que los puntos en los cuales resulta débil son: Al ser un prototipo, no se tiene en cuenta el costo de la solución, lo que implica que, en general, la solución obtenida está alejada de la óptima, esta se obtendría por medio de un proceso de optimización de código, generando un mayor rendimiento en el tiempo de ejecución. Visualización limitada de los objetos de memoria.

9 REFERENCIAS [Abel72] Abel, N.E.; Bell, J. R. Global optimization in compilers. Proc. First USA Japan Computer Cof., AFIST Press, Montvale, Nueva Jersey [Abel96] Abel, Peter. Lenguaje Ensamblador y Programación para PC IBM y Compatibles, Prentice Hall, [Aho73] Aho, A.V.;Ullman, J. The theory of parsing, translation and compiling. Prentice Hall, Englewood Cliffs, Nueva Jersey, [Deit94] Deitel, Harvey. C: How to Program. Prentice Hall, 1994 [Díaz96] Díaz, María Paula; Morales, Jorge. Conceptos básicos de Programación. Fundación Universitaria San Martín, 1996 [Galv94] Gálvis, A. H., Ingeniería de Software Educativo. Ediciones Uniandes [Hum97] Watts S. Humphrey, Introduction to the Personal Software Process, Addison Wesley, SEI Series in SE [Klau84] Klauss, J. Computer Lexicon. Circulo de Lectores, [Lem74] Lemone A Karen, Fundamentos de Compiladores, CECSA, Marg91] Margolis, Philip, Personal Computer Dictionary, Random House, New York, [Morr82] Morris, M. Lógica digital y diseño de Computadores. Prentice Hall, [Vill96] Villalobos, Jorge. Diseño y Manejo de Estructuras de Datos en C. McGraw Hill 1996.