Розробка уроку

Тема: поняття об'єкта у мові програмування, його властивостей і методів. Створення програми, її виконання та налагодження мовою Java.

Мета: сформувати визначення об'єкта у мові програмування, ознайомити учнів з його властивостями та методами, навчити створювати програми у cередовищі Java. По завершенню вивчення учень:

Обладнання: ПК із встановленим ОС і середовищем програмування мовою Java (NetBeans, Eclipse) чи стійким сполученням з Інтернетом, (дана) інструкція.

Структура уроку

  1. Організаційний момент.
  2. Актуалізація опорних знань.
  3. Вивчення нового матеріалу.
  4. Інструктаж з ТБ.
  5. Закріплення вивченого матеріалу.
  6. Підбиття підсумків уроку.
  7. Домашнє завдання.

Хід уроку

1. Організаційний момент
Вітання з класом. Перевірка присутності і готовності учнів до уроку. Перевірка виконання домашнього завдання.

Мотивація навчання: урок присвячено програмуванню логічної іграшки. Цей гральний автомат загадує число і кожну спробу відгадати або підтверджує правильність вибору, або повідомляє, що загадане число більше (менше) від запропонованої відповіді. Такий тренер навчає логічно мислити і використовувати алгоритм бінарного пошуку (поділом навпіл діапазону можливих величин) для ефективного розв'язання і навчальних, і практичних задач.

2. Актуалізація опорних знань
Дати означення понять щодо об'єктно-орієнтованого програмування, виділені жирним шрифтом у тексті, і порівняти з поданим описом.

3. Вивчення нового матеріалу

Мова програмування (англійською programming language) — це система позначень для опису алгоритмів та структур даних.

Java — це об'єктно-орієнтована мова програмування.

Об'єктно-орієнтована мова програмування описує сукупність об'єктів, що взаємодіють між собою. Об'єкт має властивості (змінні) та методи — дії, які об'єкт може виконувати. Кожний об’єкт є представником певного класу. Інакше кажучи, набір властивостей та поведінку (сукупність методів) об’єкта визначають в описі класу, на основі якого створено об’єкт.

Довільна програма мовою Java має містити принаймні один клас. Далі розглянемо приклад опису мовою Java класів — аналогів об'єктів з реального світу: класу Car (автомобіль) або Animal (тварина). Для класу Car природно задати такі властивості: двері, колеса, лобове скло тощо. На основі класу Car, можна створити нові класи (Легковики, Вантажівки, Автобуси), які матимуть усі властивості класу Car, а також свої власні властивості. У класі Animal можна задати властивості (Лапи, Хвіст), а потім створити клас Cat, у якого будуть додаткові властивості (Вуса). Інакше кажучи, клас А може успадковувати властивості іншого класу В, який називають (по відношенню до класу Ф) батьківським класом або суперкласом. Усередині класів можна оголосити поля (властивості, змінні) й методи.

Базовим елементом програмування у мові Java (і не лише ній) є клас. Зауважимо: класи Java не обов'язково містять метод main, що вказує інтерпретатору Java, звідки починати виконання програми. Для того, щоб створити клас, досить мати файл зі службовим словом class, а слідом за ним — допустимий ідентифікатор і пара фігурних дужок, що обмежують його тіло.

Назва файлу Java має повністю (тобто з урахуванням регістру) збігатися з назвою класу, описаного у цьому файлі, бо інакше буде помилка інтерпретації.

Клас — це шаблон для створення об'єкта. Клас визначає структуру об'єкта і його методи, що утворюють функціональний інтерфейс. У процесі виконання програми мовою Java система використовує визначення класів для створення представників класів. Терміни «представник», «екземпляр» і «об'єкт» — взаємозамінні.

Форма визначення класу:

class назва_класу extends назва_суперкласу {тіло класу};

Детальніше:

class назва_класу extends назва_суперкласу
{ тип_змінної назва_змінної1;
  тип_змінної назва_змінної2; …
  тип_результату_методу назва_методу1 (список_параметрів) {тіло методу;}
  тип_результату_методу назва_методу2 (список_параметрів) {тіло методу;} …
}

Службове слово extends вказує на те, що «назва_класу» — це підклас «назва_суперкласу». У корені ієрархії класів Java — єдиний її вбудований клас Object. При створенні підкласу класу Object службове слово extends і наступну за ним назву суперкласу можна опустити.

Прості типи Java не є об'єктно-орієнтованими, вони аналогічні простим типам більшості традиційних мов програмування. Їх поділяють на 4 групи:

У Java, на відміну від деяких інших мов, відсутнє автоматичне зведення типів. Неузгодженість типів призводить не до попередження при трансляції, а до повідомлення про помилку. Для кожного типу строго визначено набори допустимих значень і дозволених операцій.

Інкапсуляція даних — приховування деталей інформації про роботу класів — виникає внаслідок оголошення змінних у тілі класу.

В якості типу зміннихможна використовувати і будь-який з простих типів, і класові типи.

Оператор new створює представника класу й повертає посилання на новостворений об'єкт (на місце початку його даних у пам'яті) таким чином:

назва_класу назва_змінної = new назва_класу()
Оголошення методу здійснюють у тілі класу. При оголошенні методу задають тип результату і список параметрів. Загальна форма оголошення методу така:

тип_результату_методу назва_методу (список_параметрів) {тіло методу;}

Тип результату методу може бути будь-яким з допустимих, у тому числі й типом void у тому випадку, коли повертати результат не потрібно. Список параметрів (у круглих дужках) — послідовність пар тип-ідентифікатор, розділених комами, — може бути порожнім.

Розглянемо приклад методу init, у якому формальним параметрам дано назви х, у, а для доступу до однойменних змінних поточного об'єкта використано посилання this — див. приклад програми:

class Point
{ int x, y;
  void init(int x, int y)
  { this.x = x;
    this.y = y;
  }
} 

class Rextester
{  public static void main(String args[])
  { Point p1 = new Point();
    Point p2 = new Point();
    p1.init(10,20);
    p2.init(42,99);
    System.out.println("x = " + p1.x + " y = " + p1.y);
    System.out.println("x = " + p2.x + " y = " + p2.y);
  }
}

Ця програма створює два різних об'єкти класу Point зі своїми значеннями властивостей і виводить ці значення:

x = 10 у = 20
x = 42 у = 99

Оператор . (крапка) використано для доступу до властивостей і методів об'єкта.

Примітка. У Java відсутня можливість передавання параметрів за посиланням на примітивний тип, а всі параметри примітивних типів передають за значенням. Інакше кажучи, метод не може змінити значення змінної, використаної в якості параметра.

У мові Java неможливо використати в одній або у вкладених областях видимості дві локальні змінні з однаковими назвами. Але не заборонено оголошувати формальні параметри методу з назвами, що збігаються з назвами змінних, значення яких передано у метод.

Ініціалізувати всі змінні класу щоразу, коли створюють новий представник — марудна справа навіть у тому випадку, коли у класі є функції, подібні методу init. Для цього в Java передбачені спеціальні методи — так звані конструкторами.

Конструктор — це метод класу, який ініціалізує новий об'єкт після його створення. Назва конструктора збігається з назвою класу, в якому він розташований.

У конструкторів немає типу повернення результату — ніякого, навіть void. Замінимо метод init з попереднього прикладу конструктором.

public class Point
{ int x, y;
  Point(int x, int y)
  { this.x = x;
    this.y = y;
  }
} 

public class PointCreate
{ public static void main(String args[])
  { Point p = new Point (10,20);
    System.out.println("x = " + p.x + " у = " + p.y);
  }
}

Поєднання методів. Мова Java дозволяє створювати кілька методів з однаковими назвами, але з різними списками параметрів. Таку техніку називають поєднанням методів (method overloading). Як приклад див. інший опис класу Point, в якому поєднання методів використано для визначення альтернативного конструктора, який ініціалізує координати х та у значенням –1.

class Point
{ int x, y;
  Point(int x, int y)
  { this.x = x;
    this.y = y;
  }
  Point()
  { x = -1;
    y = -1;
  }
}
class Rextester
{ public static void main(String args[])
  { Point p = new Point();
    System.out.println("x = " + p.x + " у = " + p.y);
  }
}

У цьому прикладі об'єкт класу Point створено за допомогою конструктора без параметрів. Ось результат роботи цієї програми:

x = -1 у = -1

Примітка. Те, який конструктор буде викликано, залежить від кількості і типів параметрів, зазначених у операторі new. Неприпустимо оголошувати у класі методи з однаковими назвами й сигнатурами. У сигнатурі методу не враховують назви формальних параметрів враховуються лише їх типи і кількість.

Ще один варіант опису класу Point показує, як, використовуючи this і поєднання методів, можна будувати одні конструктори на основі інших.

class Point
{ int x, y;
  Point(int x, int y)
  { this.x = x;
    this.y = y;
  } 
  Point()
  { this(-1, -1);
  }
}

Для перевірки коректності коду достатньо зробити відповідну заміну у поданому вище прикладі.

Методи, які використовують поєднання імен, не обов'язково повинні бути конструкторами. У наступному прикладі в клас Point додані два методу distance. Функція distance повертає відстань між двома точками. Одному з суміщених методів в якості параметрів передаються координати точки х і у, в іншому цю саму інформацію передано у вигляді параметра-об'єкта Point.

class Point
{ int x, y;
  Point(int x, int y)
  { this.x = x;
    this. y = y;
  }
  double distance(int x, int y)
  { int dx = this.x - x;
    int dy = this.y - y;
    return Math.sqrt(dx*dx + dy*dy);
  } 
  double distance(Point p)
  { return distance(p.x, p.y);
  }
} 

class Rextester
{ public static void main(String args[]) 
  { Point p1 = new Point(0, 0);
    Point p2 = new Point(30, 40);
    System.out.println("p1 = " + p1.x + ", " + p1.y);
    System.out.println("p2 = " + p2.x + ", " + p2.y);
    System.out.println("p1.distance(p2) = " + p1.distance(p2));
    System.out.println("p1.distance(60, 80) = " + p1.distance(60, 80));
  }
}

Зверніть увагу на те, як у другій формі методу distance для отримання результату викликано його перша форма. Нижче подано результат роботи цієї програми:

p1 = 0, 0
p2 = 30, 40
p1.distance(p2) = 50.0
p1.distance(60, 80) = 100.0

Іншою (крім інкапсуляції) фундаментальною властивістю об'єктно-орієнтованого підходу є наслідування. Класи-нащадки мають можливість не лише створювати свої власні змінні і методи, але і наслідувати змінні і методи класів-предків. Класи-нащадки прийнято називати підкласами. Безпосереднього предка даного класу називають його суперкласом.

У наступному прикладі показано можливості успадкування. У ньому розширено клас Box, доданням властивості weight (вага). Таким чином, новий клас матиме такі властивості: ширина, висота, глибина й вага паралелепіпеда — див. файли Box, BoxWeight, Rextester.

Примітка. Файли цього й усіх наступних прикладів, вміст яких (файлів) не подано на даній html-сторінці, але є гіперпосилання на текстові файли з відповідними назвами, потрібно зберігати як окремі класи *.java одного пакунку (у цьому й у наступних прикладах названого у коді rextester).

У цьому прикладі ключове слово extends у коді BoxWeight використано для того, щоб повідомити про створення підкласу класу A. Результат роботи цієї програми такий:

Об'єм myboxl дорівнює 3000.0
вага myboxl дорівнює 34.3

Об'єм mybox2 дорівнює 24.0
вага mybox2 дорівнює 0.076

Клас BoxWeight успадковує всі характеристики класу Box і додає до них властивість weight. Класу BoxWeight не потрібно відтворювати всі характеристики класу Box. Він може просто розширювати клас Box у відповідності з конкретними цілями. Основна перевага успадкування полягає в тому, що як тільки суперклас, який визначає загальні атрибути набору об'єктів, створено, його можна використовувати для створення будь-якої кількості спеціалізованих класів. Кожен підклас може точно визначати свою власну класифікацію.

super — звернення до конструктора суперкласу. Застосування ключового слова super найбільш підходить в тих ситуаціях, коли імена членів підкласу приховують члени суперкласу з такими ж іменами. Розглянемо приклад простої ієрархії класів — див. файли A, B, C, виконання яких дає такий результат:

i в суперкласі: 1
i в подкласі: 2

Заміщення методів розглянемо на прикладі класу Point3DDist і підкласу Point3D класу Point, що успадковує реалізацію методу distance свого суперкласу. У класі Point вже визначено методу distance, яка повертає відстань між точками на площині. Потрібно замістити (override) це визначення методу новим, придатним для випадку тривимірного простору. У прикладі проілюстровано і суміщення (overloading), і заміщення (overriding) методу distance. Результат роботи цієї програми такий:

p1 = 30, 40, 10
p2 = 0, 0, 0
p = 4, 6
p1.distance(p2) = 50.99019513592785
p1.distance(4, 6) = 2.23606797749979
p1.distance(p) = 2.23606797749979

Зверніть увагу: отримано очікувану відстань між тривимірними точками і між парою двовимірних точок. У прикладі використано механізм, який називають динамічним призначенням методів (dynamic method dispatch).

Динамічне призначення методів розглянемо на прикладі двох класів, у яких мають просту спорідненість підклас / суперклас, причому єдиний метод суперкласу заміщено у підкласі.

class A
{ void callme() 
  { System.out.println("Inside A's callme method");
  }
}
class B extends A
{ void callme()
  { System.out.println("Inside B's callme method"); 
  }
}
class Rextester
{ public static void main(String args[])
  { A a = new B();
    a.callme();
  }
}

Всередині методу main оголошено змінну а класу А, яку проініціалізовано посиланням на об'єкт класу В. У наступному рядку викликано метод callme. При цьому транслятор перевіряє наявність методу callme у класі А. При виявленні того, що насправді у змінній збережено представник класу В, викликано не метод класу А, а метод callme класу В. Результат роботи цієї програми такий :

Inside B's callme method

static. Іноді потрібно створити метод, який можна було б використовувати поза контекстом будь-якого об'єкта його класу. Так само, як у випадку main, все, що потрібно для створення такого методу — вказати при його оголошенні модифікатор доступу static. Такі статичні методи можуть безпосередньо звертатися лише до інших статичних методів, в них не припустимо використання посилань this і super. Змінні також можуть мати модифікатор доступу static, вони подібні до глобальних змінних, тобто доступні з будь-якого місця коду. Усередині статичних методів неприпустимі посилання на змінні представників. Нижче наведено приклад класу, у якого є статичні змінні, статичний метод і статичний блок ініціалізації.

class Rextester
{ static int a = 3;
  static int b;
  static void method(int x)
  { System.out.println("x = " + x);
    System.out.println("a = " + a);
    System.out.println("b = " + b);
  } 
  static
  { System.out.println("static block initialized");
    b = a * 4;
  } 
  public static void main(String args[])
  { method(42);
  }
}

Результат роботи цієї програми такий:

static block initialized
x = 42
a = 3
b = 12

У наступному прикладі створено клас зі статичним методом і кількома статичними змінними. Другий клас може викликати статичний метод за назвою і посилатися на статичні змінні безпосередньо через назву класу.

class StaticClass
{ static int a = 42;
  static int b = 99;
  static void callme()
  { System.out.println("a = " + a);
  }
} 
class Rextester
{ public static void main(String args[])
  { StaticClass.callme();
    System.out.println("b = " + StaticClass.b);
  }
}

Результат роботи цієї програми такий:

a = 42
b = 99

Інколи потрібно визначити клас, в якому задано довільну структуру, але повна реалізація всіх методів відсутня. У таких випадках за допомогою модифікатора типу abstract оголошують, які з методів обов'язково потрібно замістити у підкласах. Будь-який клас, що містить методи abstract, потрібно оголосити як abstract. У таких класів відсутня повна реалізація, тому їхніх представників не можна створювати за допомогою оператора new. Крім того, не можна оголошувати абстрактними конструктори і статичні методи. Будь-який підклас абстрактного класу або зобов'язаний надати реалізацію всіх абстрактних методів свого суперкласу, або його потрібно оголосити абстрактним.

abstract class A
{ abstract void callme();
  void metoo()
  { System.out.println("Inside A metoo  method");
  }
}
class B extends A
{ void callme()
  { System.out.println("Inside B callme method");
  }
} 
class Rextester
{ public static void main(String args[])
  { A a = new B();
    a.callme();
    a.metoo();
  }
}

У поданому прикладі для виклику реалізованого у підкласі класу А методу callme і реалізованого в класі А методу metoo використано динамічне призначення методів. Результат роботи цієї програми такий:

Inside B callme method
Inside A metoo  method

4. Інструктаж з ТБ
5. Закріплення вивченого матеріалу

Завдання 1. Створити клас Circle — модель кола на координатній площині — з такими властивостями: координати центра і радіус. Наділити його такими методами:

Програму записати у файл (теку) з назвою Ваше_прізвище_латиницею_1 у вказану вчителем теку. Порівняти з демонстраційним розв'язанням: Circle і Main.

Завдання 2. Створити клас Point2D — модель кола на координатній площині — з такими властивостями: абсциса й ордината. Наділити його такими методами:

Програму записати у файл (теку) з назвою Ваше_прізвище_латиницею_2 у вказану вчителем теку. Порівняти з демонстраційним розв'язанням: Point2D і Dist2D.

6. Підбиття підсумків уроку
Виставлення оцінок.

7. Домашнє завдання
Вивчити матеріал уроку. У разі потреби доробити завдання, виконання яких розпочато у класі.

Текст упорядкувала Катерина Олександрівна Кухар, вчитель інформатики спеціалізованої школи І–ІІІ ступенів № 102 з поглибленим вивченням англійської мови Шевченківського району міста Києва, під час виконання випускної роботи на курсах підвищення кваліфікації з 17.10.2017 по 20.10.2017р.