Hattenhauer Programmieren lernen mit KI

Coden mit Python, ChatGPT und Co.
1. Auflage 2025
ISBN: 978-3-367-11273-9
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 454 Seiten

Reihe: Rheinwerk Computing

Einfach Programmieren lernen – mit Unterstützung von ChatGPT & Co.

Möchtest du Programmieren lernen , scheust aber davor zurück, komplizierte Programmiersprachen zu erlernen? Dann ist dieses Buch genau das Richtige für dich! KI-Tools wie ChatGPT machen es möglich, eigene Programme zu schreiben, auch ohne tiefgreifende Codingkenntnisse. Schritt für Schritt wirst du an die Grundlagen herangeführt. Dank anschaulicher Erklärungen und praxisnaher Projekte tauchst du ein in die faszinierende Welt des Programmierens mit KI-Unterstützung. Vom einfachen Taschenrechner über interaktive Websites bis hin zur eigenen Smartphone-App – deiner Kreativität sind keine Grenzen gesetzt!

Rainer Hattenhauer begleitet dich mit diesem Buch auf deiner Reise in die Welt der Software-Entwicklung mit KI . Du lernst die wichtigsten KI-Tools und ihre Einsatzmöglichkeiten kennen. Anhand von Beispielen erfährst du, wie du Ideen in funktionierenden Code verwandelst. Dabei vertiefst du dein Verständnis für grundlegende Programmierkonzepte wie Variablen, Schleifen und Funktionen. Auch fortgeschrittene Themen wie Objektorientierung, Datenbanken und maschinelles Lernen kommen nicht zu kurz. Mit KI an deiner Seite meisterst du jede Herausforderung und entwickelst dich zu einem versierten Programmierer .

• Einfacher Einstieg ins Programmieren dank KI
• Praxisnahe Projekte: vom Taschenrechner bis zur App
• Grundlegende Programmierkonzepte spielerisch verstehen
• Fortgeschrittene Themen wie OOP, Datenbanken, KI

Steige jetzt ein in die Zukunft des Programmierens mit KI – dieses Buch zeigt dir wie!

Aus dem Inhalt:

• Los geht's – dein smarter Einstieg ins Programmieren
• Die perfekte Basis: Deine Entwicklungsumgebung
• Einfach(e) Programme mit KI schreiben (lassen)
• Programmieren mit System
• Daten und deren Visualisierung
• Hardware & Sensoren steuern
• Fortgeschrittene Techniken
• Künstliche Intelligenz & Machine Learning
• Tipps und Tricks

Autoren/Hrsg.

Hattenhauer, Rainer

Inhaltsverzeichnis

  1.  Los geht's -- dein smarter Einstieg ins Programmieren ... 11

       1.1 ... Warum KI das Programmieren revolutioniert ... 12

       1.2 ... Dein KI-Code-Baukasten -- die wichtigsten KI-Assistenten ... 17

       1.3 ... Dein erstes Programm ... 20

       1.4 ... Der »Beipackzettel« zum Buch ... 28

  2.  Die perfekte Basis -- deine Entwicklungsumgebung ... 33

       2.1 ... Visual Studio Code ... 34

       2.2 ... Jupyter Notebook und Google Colab ... 44

  3.  Einfach(e) Programme mit KI schreiben (lassen) ... 57

       3.1 ... Taschenrechner & Co. ... 58

       3.2 ... Das Abenteuer der Verzweigung ... 74

       3.3 ... Jetzt geht's rund -- Schleifen ... 81

       3.4 ... Der KI-Coach -- von der Idee zum Programm ... 87

       3.5 ... Die KI als Coding-Assistentin ... 100

  4.  Programmieren mit System ... 121

       4.1 ... Datenverarbeitung ... 121

       4.2 ... Funktionen definieren ... 146

       4.3 ... Bibliotheken verwenden ... 152

       4.4 ... Grafische Benutzeroberflächen ... 159

       4.5 ... Computergrafik ... 169

  5.  Daten und ihre Visualisierung ... 189

       5.1 ... KI und Excel ... 189

       5.2 ... Diagramme, Plots und Grafiken erstellen ... 209

       5.3 ... Webdaten nutzen ... 228

  6.  Hardware und Sensoren erforschen ... 247

       6.1 ... Erste Schritte ... 247

       6.2 ... Ich fühle was, was du nicht fühlst -- Sensoren ... 264

       6.3 ... ... und Action! Aktoren nutzen ... 282

       6.4 ... Komplexe Projekte realisieren ... 292

  7.  Künstliche Intelligenz selbst programmieren ... 313

       7.1 ... Grundlagen des maschinellen Lernens ... 313

       7.2 ... Neuronale Netze programmieren ... 330

  8.  Fortgeschrittene Techniken ... 345

       8.1 ... Objektorientierte Programmierung ... 345

       8.2 ... Datenbanken ... 358

       8.3 ... App-Entwicklung für Smartphones ... 379

       8.4 ... Tools für Profis -- Agenten und MCP ... 391

       8.5 ... Versionsverwaltung mit GitHub ... 405

  9.  Tipps und Tricks ... 415

       9.1 ... Troubleshooting mit KI ... 415

       9.2 ... Refaktorierung und Dokumentation ... 426

       9.3 ... Weiterführende Ressourcen ... 435

       9.4 ... Fazit und Ausblick ... 438

  Glossar ... 441

  Index ... 449

Leseproben

1    Los geht’s – dein smarter Einstieg ins Programmieren

Komplexe Programme erstellen, ohne jahrelang kryptische Programmiersprachen zu pauken oder sich gar stundenlang mit Fehlersuche zu beschäftigen – die KI-Revolution macht’s möglich! Tauch ein in eine Welt, in der kreatives Denken wichtiger wird als technische Details, und erlebe, wie sich auch für dich die Tür zu einer neuen Ära des Programmierens öffnet.

Science-Fiction-Fans meiner Generation werden sich an eine Szene aus den Star-Trek-Filmen erinnern: In »Star Trek IV: Zurück in die Gegenwart« aus dem Jahr 1986 spricht ein Mitglied der Enterprise-Crew mit einem Computer aus den 1980er Jahren. In der humorvollen Szene versucht Scotty mit einem (damals hochmodernen) Macintosh-Computer zu sprechen, indem er die Maus wie ein Kommunikationsgerät an seinen Mund hält und »Hello, computer?« sagt. Diese Szene ist deshalb so amüsant, weil sie den Kontrast zwischen der fortschrittlichen Technologie der Star-Trek-Zukunft und den vergleichsweise primitiven Computern der 1980er Jahre hervorhebt.

Seit den 1980er Jahren sind wir der Zukunft ein gutes Stück nähergekommen. Die Kommunikation mit Computern erfolgt heute problemlos über Sprache. Hieß es in den Anfängen der IT: »Computer befreien das Denken vom Rechnen«, so kann man heute einen guten Teil des Denkens an ein neuronales Netz auslagern.

In diesem Buch geht es aber nicht darum, das Denken zu verlernen, ganz im Gegenteil: Ich nehme dich mit auf eine Reise, auf der du Programm(ideen), die in deinem Kopf herumspuken, mithilfe moderner KI[ 1 ]-Werkzeuge in kürzester Zeit in die Realität umsetzen kannst. Du lernst die Grundlagen des Programmierens und wirst in der Lage sein, viele alltägliche Probleme zu lösen, indem du einfach geschickte Anweisungen in natürlicher Sprache formulierst.

1.1    Warum KI das Programmieren revolutioniert

Die Geschichte der Programmierung ist eine spannende Entwicklung auf immer höheren Abstraktionsebenen. In den Anfängen der Computerprogrammierung mussten die Entwickler*innen noch direkt mit der Hardware kommunizieren. Heute hingegen ist es möglich, der künstlichen Intelligenz in natürlicher Sprache zu erklären, was ein Programm tun soll. Die Reise durch die Zeit und die verschiedenen Abstraktionsebenen ist nicht nur faszinierend, sondern zeigt auch, wie der technologische Fortschritt uns immer schneller an die eigentliche Problemlösung bringt – weg von überflüssigem technischem Ballast. Nebenbei lernst du einige der bedeutendsten Programmiersprachen kennen.

1.1.1    Von der Maschinensprache zur natürlichen Sprache

Die Programmierer*innen der 1940er und 1950er Jahre mussten ihre Anweisungen direkt in binärem Maschinencode formulieren – das ist eine für die CPU verständliche Abfolge von Nullen und Einsen. »Strom an« und »Strom aus« entsprachen den Signalen »1« und »0«. Eine einfache Addition von zwei Zahlen erfordert mehrere Zeilen dieses unverständlichen Codes. Stell dir vor, du müsstest folgende Zeichenfolge tippen, nur um zwei Zahlen zu addieren:

0101 0001 0000 0001
0101 0010 0000 0010
0000 0011 0001 0010

Listing 1.1     Programmbeispiel in Maschinencode: Addition zweier Zahlen

Was geschieht hier? Zunächst werden zwei Zahlen, z. B. die 5 und die 7, in das binäre Zahlenformat umgewandelt. In diesem Format bestehen die Zahlen nur aus Nullen und Einsen. Auch der Befehl, die beiden Zahlen zu addieren, ist eine Folge von Nullen und Einsen. Ganz schön mühsam, oder? Ein kleiner Tippfehler und das gesamte Programm funktioniert nicht …

Mit dem Aufkommen der Assemblersprachen in den 1950er Jahren erfolgte der erste Abstraktionssprung. Statt binärer Zahlenkolonnen konnten Programmierer*innen nun symbolische Befehle wie MOV, ADD oder JMP verwenden, die dann vom Assembler in Maschinencode übersetzt wurden:

MOV AX, 5 ; Lade die Zahl 5 in das Register AX
MOV BX, 7 ; Lade die Zahl 7 in das Register BX
ADD AX, BX ; Addiere BX zu AX

Listing 1.2     Programmbeispiel in Assembler: Addition zweier Zahlen

Trotz dieser verbesserten Lesbarkeit blieb die Programmierung hardwarenah und erforderte detaillierte Kenntnisse der Prozessorarchitektur.

In den 1960er und 1970er Jahren entstanden höhere Programmiersprachen wie FORTRAN, COBOL und schließlich C, die einen weiteren Abstraktionssprung ermöglichten. Imperative Sprachen wie C ermöglichten die Formulierung komplexerer Anweisungen, die mehrere Maschinenoperationen gleichzeitig darstellten:

int summe = 5 + 7;

Listing 1.3     Programmbeispiel in C: Addition zweier Zahlen

Eine einzige Zeile in C erzeugt mehrere Assembler-Instruktionen, was damals eine erhebliche Steigerung der Produktivität und Lesbarkeit bedeutete.

Die 1980er und 1990er Jahre brachten die objektorientierte Programmierung (OOP) mit Sprachen wie C++ und Java. Dabei wurde versucht, den Programmcode durch die Einführung von anschaulichen Objekten der menschlichen Denkweise anzupassen. Ein Objekt in diesem Zusammenhang könnte ein bestimmtes Auto sein, z. B. ein Sportwagen. Der Sportwagen hat bestimmte Eigenschaften von einer übergeordneten Klasse (Auto) geerbt, z. B. vier Räder und einen Motor. Dieser Paradigmenwechsel ermöglichte es, Software als ein Zusammenspiel von Objekten zu modellieren, die Daten und Funktionen verkapseln:[ 2 ]

class Rechner {
public int addiere(int a, int b) {
return a + b;
}
}
// Verwendung
Rechner meinRechner = new Rechner();
int ergebnis = meinRechner.addiere(5, 7);

Listing 1.4     Programmbeispiel in Java: Addition zweier Zahlen

Anstatt sich auf einzelne Anweisungen zu konzentrieren, konnten Programmierer nun in Begriffen wie Klassen, Objekten und deren Beziehungen denken – eine weitere Abstraktionsebene.

Die 2000er und 2010er Jahre brachten mit deklarativen und funktionalen Programmierkonzepten weitere Abstraktionen mit sich. Anstatt zu beschreiben, wie etwas berechnet werden sollte, konnten Entwicklerinnen jetzt einfach deklarieren, was berechnet werden sollte. Dazu bietet sich die Programmiersprache Python an, die wir in diesem Buch hauptsächlich zur Umsetzung von Projekten verwenden werden, denn ganz ohne Code geht es leider auch heute (noch) nicht.

# Imperativer Ansatz in Python
zahlen = [1, 2, 3, 4, 5]
quadrate = []
for zahl in zahlen:
quadrate.append(zahl * zahl)

Listing 1.5     Programmbeispiel in Python: Berechnung der Quadratzahlen von 1 bis 5

Oh weh! Ist das alles kompliziert … Aber halt! Bevor du dieses Buch in hohem Bogen wegwirfst, sollst du im nächsten Abschnitt erfahren, wie die KI beim Programmieren zum echten Gamechanger wird.

1.1.2    Der KI-Quantensprung

Mit der Einführung sogenannter Large Language Models (LLM) und darauf aufbauender Chatbots wie ChatGPT, Claude oder Gemini hat die Abstraktionsebene einen echten Quantensprung erfahren. Erstmals in der Geschichte der Programmierung können wir unsere Anforderungen in natürlicher Sprache formulieren:

»Schreibe ein Programm, das die Quadratzahlen von 1 bis 5 berechnet!«

Und das KI-System generiert im Handumdrehen den entsprechenden Code:

# Programm zur Berechnung der Quadratzahlen von 1 bis 5
for i in range(1, 6):
quadrat = i * i
print(f"Die Quadratzahl von {i} ist {quadrat}")

Listing 1.6     Berechnung der Quadratzahlen von 1 bis 5 – diesmal per KI-Prompt generiert. Beachte, dass der Code automatisch in Python generiert wird, falls nichts anderes angegeben wird.

Diese Entwicklung ist revolutionär, denn sie hebt die Kommunikation mit dem Computer auf eine (zwischen-)menschliche Ebene. Wir müssen nicht mehr in der Sprache der Maschine denken, sondern können in unserer eigenen Ausdrucksweise bleiben.

Abbildung 1.1     Ein KI-Chatbot – hier »Claude« von Anthropic – generiert Python-Code auf Zuruf.

Diese KI-gestützte Programmierung ist in mehreren Punkten bahnbrechend:

• Demokratisierung der Programmierung: Menschen ohne formale Programmierkenntnisse können nun Software entwickeln, indem sie ihre Anforderungen einfach beschreiben. Die technische Hürde zum Einstieg...

Über Autor(innen)

Hattenhauer, Rainer
Rainer Hattenhauer ist promovierter Physiklehrer und unterrichtet zudem Mathematik an einem Internatsgymnasium. Der Technik-Nerd ist parallel zu seiner Schultätigkeit seit mehr als zwei Jahrzehnten Autor aus Leidenschaft. Dies zeigt sich auch in seiner Begeisterung für Künstliche Intelligenz und deren sinnvollen Einsatz in den unterschiedlichen Lebensbereichen. Seine Leser*innen schätzen die Verständlichkeit der Darstellung und die vielen praktischen Tipps.