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.

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.

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.

Defining Contexts in Context-Free Grammars

This thesis introduces an extension of Chomsky’s context-free grammars equipped with operators for referring to left and right contexts of strings.The new model is called grammar with contexts. The semantics of these grammars are given in two equivalent ways — by language equations and by logical deduction, where a grammar is understood as a logic for the recursive definition of syntax. The motivation for grammars with contexts comes from an extensive example that completely defines the syntax and static semantics of a simple typed programming language. Grammars with contexts maintain most important practical properties of context-free grammars, including a variant of the Chomsky normal form. For grammars with one-sided contexts (that is, either left or right), there is a cubic-time tabular parsing algorithm, applicable to an arbitrary grammar. The time complexity of this algorithm can be improved to quadratic,provided that the grammar is unambiguous, that is, it only allows one parsefor every string it defines. A tabular parsing algorithm for grammars withtwo-sided contexts has fourth power time complexity. For these grammarsthere is a recognition algorithm that uses a linear amount of space. For certain subclasses of grammars with contexts there are low-degree polynomial parsing algorithms. One of them is an extension of the classical recursive descent for context-free grammars; the version for grammars with contexts still works in linear time like its prototype. Another algorithm, with time complexity varying from linear to cubic depending on the particular grammar, adapts deterministic LR parsing to the new model. If all context operators in a grammar define regular languages, then such a grammar can be transformed to an equivalent grammar without context operators at all. This allows one to represent the syntax of languages in a more succinct way by utilizing context specifications. Linear grammars with contexts turned out to be non-trivial already over a one-letter alphabet. This fact leads to some undecidability results for this family of grammars

Measuring software security from the design of software

The vast majority of our contemporary society owns a mobile phone, which has resulted in a dramatic rise in the amount of networked computers in recent years. Security issues in the computers have followed the same trend and nearly everyone is now affected by such issues. How could the situation be improved? For software engineers, an obvious answer is to build computer software with security in mind. A problem with building software with security is how to define secure software or how to measure security. This thesis divides the problem into three research questions. First, how can we measure the security of software? Second, what types of tools are available for measuring security? And finally, what do these tools reveal about the security of software? Measuring tools of these kind are commonly called metrics. This thesis is focused on the perspective of software engineers in the software design phase. Focus on the design phase means that code level semantics or programming language specifics are not discussed in this work. Organizational policy, management issues or software development process are also out of the scope. The first two research problems were studied using a literature review while the third was studied using a case study research. The target of the case study was a Java based email server called Apache James, which had details from its changelog and security issues available and the source code was accessible. The research revealed that there is a consensus in the terminology on software security. Security verification activities are commonly divided into evaluation and assurance. The focus of this work was in assurance, which means to verify one’s own work. There are 34 metrics available for security measurements, of which five are evaluation metrics and 29 are assurance metrics. We found, however, that the general quality of these metrics was not good. Only three metrics in the design category passed the inspection criteria and could be used in the case study. The metrics claim to give quantitative information on the security of the software, but in practice they were limited to evaluating different versions of the same software. Apart from being relative, the metrics were unable to detect security issues or point out problems in the design. Furthermore, interpreting the metrics’ results was difficult. In conclusion, the general state of the software security metrics leaves a lot to be desired. The metrics studied had both theoretical and practical issues, and are not suitable for daily engineering workflows. The metrics studied provided a basis for further research, since they pointed out areas where the security metrics were necessary to improve whether verification of security from the design was desired.

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.

Context exchange between devices in mobile environment

Context awareness is emerging on mobile devices. Context awareness can be used to improve usability of a mobile device. Context awareness is particularly important on mobile devices due the limitations they have. At first in this work, a literature review on context awareness and mobile environment is made. For aiding context awareness there exist an implementation of a Context Framework for Symbian S60 devices. It provides a possibility for exchanging the contexts inside the device between the client applications of the local Context Framework. The main contribution of this thesis is to design and implement an enhancement to the S60 Context Framework for providing possibility to exchange context over device boundaries. Using the implemented Context Exchange System, the context exchange is neither depending on the type of the context nor the type of the client. In addition, the clients and the contexts can reside on any interconnected device. The usage of the system is independent of the programming language since in addition to using only Symbian C++ function interfaces it can also be utilized using XML scripts. The Meeting Sniffer application, which uses the Context Exchange System, was also developed in this work. Using this application, it is possible to recognize a meeting situation and suggest device profile change to a user.

NURBS toolbox for Matlab

NURBS are widely used parametric approximation curves or surfaces. NURBS can be applied to the many applications. Examples of these applications are some computeraided design applications and some medical applications. Use of NURBS is very intuitive. The objective of this work was to implement the NURBS toolbox in the Matlab environment. Matlab is a program for many kinds of computational purposes. Matlab is also a programming language. NURBS toolbox implemented in this work offers a user an opportunity to use functions of this toolbox as parts of the user’s own programs. Current version of NURBS toolbox includes functions for NURBS curve and surface evaluation. The toolbox is designed such, that it allows extensions and enhancements in the future.