Python as a programming language for the introductory programming courses

Tämä kandidaatintyö tutkii tietotekniikan perusopetuksessa keskeisen aiheen,ohjelmoinnin, alkeisopetusta ja siihen liittyviä ongelmia. Työssä perehdytään ohjelmoinnin perusopetusmenetelmiin ja opetuksen lähestymistapoihin, sekä ratkaisuihin, joilla opetusta voidaan tehostaa. Näitä ratkaisuja työssä ovat mm. ohjelmointikielen valinta, käytettävän kehitysympäristön löytäminen sekä kurssia tukevien opetusapuvälineiden etsiminen. Lisäksi kurssin läpivientiin liittyvien toimintojen, kuten harjoitusten ja mahdollisten viikkotehtävien valinta kuuluu osaksitätä työtä. Työ itsessään lähestyy aihetta tutkimalla Pythonin soveltuvuutta ohjelmoinnin alkeisopetukseen mm. vertailemalla sitä muihin olemassa oleviin yleisiin opetuskieliin, kuten C, C++ tai Java. Se tarkastelee kielen hyviä ja huonoja puolia, sekä tutkii, voidaanko Pythonia hyödyntää luontevasti pääasiallisena opetuskielenä. Lisäksi työ perehtyy siihen, mitä kaikkea kurssilla tulisi opettaa, sekä siihen, kuinka kurssin läpivienti olisi tehokkainta toteuttaa ja minkälaiset tekniset puitteet kurssin toteuttamista varten olisi järkevää valita.

Ohjelmoinnin opetus peruskoulussa: toiminnallisuutta ja graafista ohjelmointikieltä hyödyntävien opetusmenetelmien vertailu

Ohjelmoinnin opettaminen yleissivistävänä oppiaineena on viime aikoina herättänyt kiinnostusta Suomessa ja muualla maailmassa. Esimerkiksi Suomen opetushallituksen määrittämien, vuonna 2016 käyttöön otettavien peruskoulun opintosuunnitelman perusteiden mukaan, ohjelmointitaitoja aletaan opettaa suomalaisissa peruskouluissa ensimmäiseltä luokalta alkaen. Ohjelmointia ei olla lisäämässä omaksi oppiaineekseen, vaan sen opetuksen on tarkoitus tapahtua muiden oppiaineiden, kuten matematiikan yhteydessä. Tämä tutkimus käsittelee yleissivistävää ohjelmoinnin opetusta yleisesti, käy läpi yleisimpiä haasteita ohjelmoinnin oppimisessa ja tarkastelee erilaisten opetusmenetelmien soveltuvuutta erityisesti nuorten oppilaiden opettamiseen. Tutkimusta varten toteutettiin verkkoympäristössä toimiva, noin 9–12-vuotiaille oppilaille suunnattu graafista ohjelmointikieltä ja visuaalisuutta tehokkaasti hyödyntävä oppimissovellus. Oppimissovelluksen avulla toteutettiin alakoulun neljänsien luokkien kanssa vertailututkimus, jossa graafisella ohjelmointikielellä tapahtuvan opetuksen toimivuutta vertailtiin toiseen opetusmenetelmään, jossa oppilaat tutustuivat ohjelmoinnin perusteisiin toiminnallisten leikkien avulla. Vertailututkimuksessa kahden neljännen luokan oppilaat suorittivat samankaltaisia, ohjelmoinnin peruskäsitteisiin liittyviä ohjelmointitehtäviä molemmilla opetus-menetelmillä. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää alakouluoppilaiden nykyistä ohjelmointiosaamista, sitä minkälaisen vastaanoton ohjelmoinnin opetus alakouluoppilailta saa, onko erilaisilla opetusmenetelmillä merkitystä opetuksen toteutuksen kannalta ja näkyykö eri opetusmenetelmillä opetettujen luokkien oppimistuloksissa eroja. Oppilaat suhtautuivat kumpaankin opetusmenetelmään myönteisesti, ja osoittivat kiinnostusta ohjelmoinnin opiskeluun. Sisällöllisesti oppitunneille oli varattu turhan paljon materiaalia, mutta esimerkiksi yhden keskeisimmän aiheen, eli toiston käsitteen oppimisessa aktiivisilla leikeillä harjoitellut luokka osoitti huomattavasti graafisella ohjelmointikielellä harjoitellutta luokkaa parempaa osaamista oppitunnin jälkeen. Ohjelmakoodin peräkkäisyyteen liittyvä osaaminen oli neljäsluokkalaisilla hyvin hallussa jo ennen ohjelmointiharjoituksia. Aiheeseen liittyvän taustatutkimuksen ja luokkien opettajien haastatteluiden perusteella havaittiin koulujen valmiuksien opetussuunnitelmauudistuksen mukaiseen ohjelmoinnin opettamiseen olevan vielä heikolla tasolla.

Simulation Supported Robot Programming using XML

The main objective of this master's thesis is to study robot programming using simulation software, and also how to embed the simulation software into company's own robot controlling software. The further goal is to study a new communication interface to the assembly line's components -more precisely how to connect the robot cell into this new communication system. Conveyor lines are already available where the conveyors use the new communication standard. The robot cell is not yet capable of communicating with to other devices using the new communication protocols. The main problem among robot manufacturers is that they all have their own communication systems and programming languages. There has not been any common programming language to program all the different robot manufacturers robots, until the RRS (Realistic Robot Simulation) standards were developed. The RRS - II makes it possible to create the robot programs in the simulation software and it gives a common user interface for different robot manufacturers robots. This thesis will present the RRS - II standard and the robot manufacturers situation for the RRS - II support. Thesis presents how the simulation software can be embedded into company's own robot controlling software and also how the robot cell can be connected to the CAMX (Computer Aided Manufacturing using XML) communication system.

Teaching mathematics and programming : new approaches with empirical evaluation

Programming and mathematics are core areas of computer science (CS) and consequently also important parts of CS education. Introductory instruction in these two topics is, however, not without problems. Studies show that CS students find programming difficult to learn and that teaching mathematical topics to CS novices is challenging. One reason for the latter is the disconnection between mathematics and programming found in many CS curricula, which results in students not seeing the relevance of the subject for their studies. In addition, reports indicate that students' mathematical capability and maturity levels are dropping. The challenges faced when teaching mathematics and programming at CS departments can also be traced back to gaps in students' prior education. In Finland the high school curriculum does not include CS as a subject; instead, focus is on learning to use the computer and its applications as tools. Similarly, many of the mathematics courses emphasize application of formulas, while logic, formalisms and proofs, which are important in CS, are avoided. Consequently, high school graduates are not well prepared for studies in CS. Motivated by these challenges, the goal of the present work is to describe new approaches to teaching mathematics and programming aimed at addressing these issues: Structured derivations is a logic-based approach to teaching mathematics, where formalisms and justifications are made explicit. The aim is to help students become better at communicating their reasoning using mathematical language and logical notation at the same time as they become more confident with formalisms. The Python programming language was originally designed with education in mind, and has a simple syntax compared to many other popular languages. The aim of using it in instruction is to address algorithms and their implementation in a way that allows focus to be put on learning algorithmic thinking and programming instead of on learning a complex syntax. Invariant based programming is a diagrammatic approach to developing programs that are correct by construction. The approach is based on elementary propositional and predicate logic, and makes explicit the underlying mathematical foundations of programming. The aim is also to show how mathematics in general, and logic in particular, can be used to create better programs.

Pumping system optimization tool

Pumping systems account for over 20 % of all electricity consumption in European industry. Optimization and correct design of such systems is important and there is a reasonable amount of unrealized energy saving potential in old pumping systems. The energy efficiency and therefore also the energy consumption of a pumping system heavily depends on the correct dimensioning and selection of devices. In this work, a graphical optimization tool for pumping systems is developed in Matlab programming language. The tool selects optimal pump, electrical motor and frequency converter for existing pumping process and calculates the life cycle costs of the whole system. The tool could be used as an aid when choosing the machinery and to analyze the energy consumption of existing systems. Results given by the tool are compared to the results of laboratory tests. The selection of pump and motor works reasonably well, but the frequency converter selection still needs development

Developing an introductory object-oriented programming course

The state of the object-oriented programming course in Lappeenranta University of Technology had reached the point, where it required changes to provide better learning opportunities and thus the learning outcomes. Based on the student feedback the course was partially dated and ineffective. The components of the course were analysed and the ineffective elements were removed and new methods were introduced to improve the course. The major changes included the change from traditional teaching methods to reverse classroom method and the use of Java as the programming language. The changes were measured by the student feedback, lecturer’s observations and comparison to previous years. The feedback suggested that the changes were successful; the course received higher overall grade than before.

Adopting the Vaadin Java framework to rebuild VTT’s Web Interfaces and Database Applications

With the growth in new technologies, using online tools have become an everyday lifestyle. It has a greater impact on researchers as the data obtained from various experiments needs to be analyzed and knowledge of programming has become mandatory even for pure biologists. Hence, VTT came up with a new tool, R Executables (REX) which is a web application designed to provide a graphical interface for biological data functions like Image analysis, Gene expression data analysis, plotting, disease and control studies etc., which employs R functions to provide results. REX provides a user interactive application for the biologists to directly enter the values and run the required analysis with a single click. The program processes the given data in the background and prints results rapidly. Due to growth of data and load on server, the interface has gained problems concerning time consumption, poor GUI, data storage issues, security, minimal user interactive experience and crashes with large amount of data. This thesis handles the methods by which these problems were resolved and made REX a better application for the future. The old REX was developed using Python Django and now, a new programming language, Vaadin has been implemented. Vaadin is a Java framework for developing web applications and the programming language is extremely similar to Java with new rich components. Vaadin provides better security, better speed, good and interactive interface. In this thesis, subset functionalities of REX was selected which includes IST bulk plotting and image segmentation and implemented those using Vaadin. A code of 662 lines was programmed by me which included Vaadin as the front-end handler while R language was used for back-end data retrieval, computing and plotting. The application is optimized to allow further functionalities to be migrated with ease from old REX. Future development is focused on including Hight throughput screening functions along with gene expression database handling

Online MBPeT dashboard : enabling performance testing as a service in the cloud

In this thesis, tool support is addressed for the combined disciplines of Model-based testing and performance testing. Model-based testing (MBT) utilizes abstract behavioral models to automate test generation, thus decreasing time and cost of test creation. MBT is a functional testing technique, thereby focusing on output, behavior, and functionality. Performance testing, however, is non-functional and is concerned with responsiveness and stability under various load conditions. MBPeT (Model-Based Performance evaluation Tool) is one such tool which utilizes probabilistic models, representing dynamic real-world user behavior patterns, to generate synthetic workload against a System Under Test and in turn carry out performance analysis based on key performance indicators (KPI). Developed at Åbo Akademi University, the MBPeT tool is currently comprised of a downloadable command-line based tool as well as a graphical user interface. The goal of this thesis project is two-fold: 1) to extend the existing MBPeT tool by deploying it as a web-based application, thereby removing the requirement of local installation, and 2) to design a user interface for this web application which will add new user interaction paradigms to the existing feature set of the tool. All phases of the MBPeT process will be realized via this single web deployment location including probabilistic model creation, test configurations, test session execution against a SUT with real-time monitoring of user configurable metric, and final test report generation and display. This web application (MBPeT Dashboard) is implemented with the Java programming language on top of the Vaadin framework for rich internet application development. The Vaadin framework handles the complicated web communications processes and front-end technologies, freeing developers to implement the business logic as well as the user interface in pure Java. A number of experiments are run in a case study environment to validate the functionality of the newly developed Dashboard application as well as the scalability of the solution implemented in handling multiple concurrent users. The results support a successful solution with regards to the functional and performance criteria defined, while improvements and optimizations are suggested to increase both of these factors.

Siirtyminen C-kielestä Pythoniin ohjelmoinnin perusopetuksessa

Ohjelmointitaito on asia, jonka oppimisesta ja opettamisesta voidaan olla montaa mieltä, eikä yhtä oikeaa tapaa toteuttaa ohjelmoinnin opetusta tunnu olevan olemassa. Se on kuitenkin selvää, että jotkin menetelmät ja työkalut tuntuvat olevan parempia kuin toiset. Lukuvuoden 2005-2006 päätteeksi Lappeenrannan teknillinen yliopisto päätti päivittää ohjelmoinnin perusopetusta, ja kokeili siirtymistä Python-ohjelmointikieleen ohjelmoinnin alkeiskursseilla. Koska kurssin varsinaiset muutokset keskittyivät tekniseen infrastruktuuriin, tutustuttiin alustavassa kirjallisuustutkimuksessa ensin erilaisiin lähestymistapoihin,aiempiin tapauksiin sekä mielekkäiden työkalujen löytämiseen. Tässä diplomityössä perehdytään ohjelmoinnin opetuksen työkaluihin sekä erityisesti Python-ohjelmointikielen hyödyntämiseen ohjelmoinnin perusopetuksessa. Diplomityö esittelee useita lähestymistapoja sekä keskittyy tutkimaan Pythonin soveltuvuutta alkeisopetuksen käyttötarkoituksiin. Diplomityö tutustuu myös Lappeenrannassa järjestetyn ohjelmoinnin perusteiden kurssin tuloksiin, ja analysoi sitä, pystyikö Python-pohjainen kurssi toteuttamaan teknisen yliopiston sille asettamat vaatimukset. Lopuksi aineistosta analysoidaan jatkotutkimuksen tarpeita sekä pyritään löytämään ne osa-alueet, joita näissä jatkotutkimuksissa tulisi vielä kehittää.

Putkilämmönsiirtimien mitoitustyökalujen kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena on kehittää tietokoneohjelma putkilämmönsiirtimen vaippapuolen painehäviön laskemiseksi. Ohjelmalla voidaan varmistaa lämmönsiirtimen mitoitusvaiheessa, että vaippapuolen painehäviö ei ylitä sallittuja rajoja. Ohjelmatäydentää olemassa olevia mitoitusohjelmia. Tässä diplomityössä käsitellään ainoastaan höyryvoimalaitosprosesseissa käytettäviä putkilämmönsiirtimiä. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty periaate höyryvoimalaitosprosessista ja siinä käytettävistä putkilämmönsiirtimistä sekä esitetty putkilämmönsiirtimien rakenne, yleinen suunnittelu ja lämpö- ja virtaustekninen mitoitus. Painehäviön laskennassa käytetyt ja lämpö- ja virtausteknistä mitoitusta käsittelevässä kappaleessa esitetyt yhtälöt perustuvat Bell-Delawaren menetelmään. Painehäviönlaskentaohjelma on toteutettu hyväksikäyttäen Microsoft Excel taulukkolaskentaa ja Visual Basic -ohjelmointikieltä. Painehäviön laskenta perustuu segmenttivälilevyillä varustetun putkilämmönsiirtimen vaippapuolen yksifaasivirtaukseen. Lämmönsiirtimen lauhdutinosan painehäviö oletetaan merkityksettömäksi, joten kokonaispainehäviö muodostuu höyryn- ja lauhteenjäähdyttimessä. Kehitetty ohjelma on suunniteltu erityisesti lauhteenjäähdyttimessä muodostuvan painehäviön laskentaan. Ohjelmalla laskettuja painehäviön arvoja on verrattu todellisesta lämmönsiirtimestä mitattuihin arvoihin. Lasketut arvotvastaavat hyvin mittaamalla saatuja, eikä tuloksissa ilmene mitään systemaattista virhettä. Ohjelma on valmis käytettäväksi putkilämmönsiirtimien mitoitustyökaluna. Diplomityön pohjalta on tehty ehdotukset ohjelman edelleen kehittämiseksi.

Modeling information in software languages

Ohjelmiston kehitystyökalut käyttävät infromaatiota kehittäjän tuottamasta lähdekoodista. Informaatiota hyödynnetään ohjelmistoprojektin eri vaiheissa ja eri tarkoituksissa. Moderneissa ohjelmistoprojekteissa käytetyn informaation määrä voi kasvaa erittäin suureksi. Ohjelmistotyökaluilla on omat informaatiomallinsa ja käyttömekanisminsa. Informaation määrä sekä erilliset työkaluinformaatiomallit tekevät erittäin hankalaksi rakentaa joustavaa työkaluympäristöä, erityisesti ongelma-aluekohtaiseen ohjelmiston kehitysprosessiin. Tässä työssä on analysoitu perusinformaatiometamalleja Unified Modeling language kielestä, Python ohjelmointikielestä ja C++ ohjelmointikielestä. Metainformaation taso on rajoitettu rakenteelliselle tasolle. Ajettavat rakenteet on jätetty pois. ModelBase metamalli on yhdistetty olemassa olevista analysoiduista metamalleista. Tätä metamallia voidaan käyttää tulevaisuudessa ohjelmistotyökalujen kehitykseen.

Verkkokäyttöliittymäohjelmiston toteuttaminen TradeXpress-tietojärjestelmään.

Työssä perehdytään verkkokäyttöliittymien suunnitteluun ja toteutukseen. Erityisen huomion kohteena ovat Java-ohjelmointikieli ja ohjelmistosuunnittelussa suurta huomiota herättäneet suunnittelumallit. Java on kehittynyt lyhyen elinikänsä aikana huomattavasti, ja viimeaikaiset vakioluokkakirjastot ovat mahdollistaneet monipuolisten ja siirrettävien ohjelmistojen toteuttamisen. Vaikka Java ei sovellukaan kaikkiin tarkoituksiin, on se luotettavuutensa, siirrettävyytensä ja luokkakirjastojensa ilmaisuvoiman ansiosta hyvin houkutteleva kieli käyttöliittymien tekemiseen. Suunnittelumallit ovat merkittävä osa ammattimaista oliosuunnittelua. Ne tarjoavat valmiita ratkaisuja yleisiin suunnitteluongelmiin ja säästävät siten aikaa suunnittelu- ja toteutusvaiheissa. Suunnittelumallit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: luontimallit, rakennemallit ja toiminnalliset mallit. Käytännön osuudessa tarkastellaan Java-käyttöliittymän toteutusta olemassa olevaan Soneran TradeXpress-tietojärjestelmään. Tässä tehtävässä Java ja suunnittelumallit ovat olleet keskeisellä sijalla. Java-käyttöliittymä, JavaGUI, koostuu kahdesta osasta: asiakasappletista ja Jrls-palvelimesta. Näiden kahden väliseen tiedonsiirtoon käytetään pääasiassa Javan RMI-yhteyskäytäntöä. Jrls-palvelin toimii asiakkaana RLS-palvelimelle erityisen RLS-yhteyskäytännön avulla.

Web Services In Symbian OS

This thesis presents different aspects of Web Services usage in Symbian OS that is an operating system for handheld devices. The practical part of the work was to develop Symbian OS client application for Web Services. It produced four reusable software components. XML enables platform and programming language independent services. Web Services use XML to create standardized message oriented services that are accessed through HTTP. Web Services are moving towards dynamic B2B interaction. Web Services increases the amount of transferred data, which is not desirable in mobile networks where transfer speed is slower than in the traditional networks. However the modern mobile networks are able to transfer the extra payload with reasonable time. XML processing is not a big problem. Web Services can be accessed from the modern mobile devices and they can cut down the development costs.

Porting a Java library to different platforms

Viime aikoina matkapuhelimet ovat alkaneet tukea Javaa matkapuhelinsovellusten ohjelmointikielenä. Javan perusajatus on, että kerran käännetty sovellus voidaan suorittaa useilla laitealustoilla ilman uudelleenkääntämisen tarvetta. Jotta sovellukset voisivat toimia uudella alustalla, niiden käyttämät kirjastot tulee siirtää uudelle alustalle. Tämä diplomityö tutkii tämänkaltaiseen siirtoprojektiin liittyviä asioita. Diplomityön aikana käyttöliittymäkirjasto siirrettiin olemassa olleelta alustalta kahdelle uudelle alustalle. Toinen uusista alustoista oli vanhan alustan uusi versio, ja toinen oli kokonaan uusi alusta. Ohjelmiston siirtämistä helpottaa jos alkuperäinen ohjelmisto on suunniteltu siirrettävyyttä silmälläpitäen. Varsinaiset ohjelmaan tehtävät muutokset ovat tällöin helppoja tehdä. Hyvälaatuisen lopputuloksen saaminen vaatii kuitenkin aina että ohjelmisto myös testataan huolellisesti.

PCI DSS -standardi ja sen vaatimukset kortinhaltijoiden tietojen suojaamiselle

Payment Card Industry Data Security Standard (PCI DSS) on korttiyhtiöiden kehittämä kansainvälinen tietoturvastandardi, jonka tarkoituksena on parantaa kortinhaltijoiden tietoja käsittelevien järjestelmien tietoturvaa. Standardissa määritellään vaatimukset tietojen turvalliselle tallennukselle ja käsittelylle, testaus- ja tarkastusmenetelmät sekä tarkastusvaatimukset ja tarkastuksia suorittavien tahojen sertifiointi. Standardi koskee kaikkia standardin hyväksyneiden maksukorttiyhtiöiden korttitietoja käsitteleviä tahoja. Standardin ylläpitämisestä ja kehittämisestä vastaa maksukorttiyhtiöiden perustama PCI Security Standards Council -toimielin. Syyskuussa 2006 toimielin julkaisi standardista version 1.1, joka on edelleen viimeisin versio. Tässä diplomityössä selvitettiin PCI DSS -standardin asettamat vaatimukset kortinhaltijoiden tietoja käsitteleville tahoille. Lisäksi tutkittiin mahdollisuuksia toteuttaa yksi standardin vaatimuksista, kortinhaltijoiden tietojen suojaaminen, esimerkkijärjestelmässä. Kyseinen järjestelmä on kehitetty IBM System i -palvelinympäristöön käyttäen RPG-ohjelmointikieltä.