Entwicklung einer intelligenten computergestützten Lernumgebung für die elektrotechnische Grundlagenausbildung

The theses presented in the following paper describe the concept and implementation of interactive and intelligent components for computer-based learning environment at the electrical engineering department GET. The achieved results carry forward the work of GET research group on computer-based learning environments. The main goals are the conceptual design and implementation of interactive components within the GETsoft learning environment, application of engineering tools (MathCAD) for computer-based education, and concept and prototype implementation of knowledge-based problem solving environment. Learning in the virtual learning environment involves the cognitive confrontation with the subject matter to be learned (learning object). Thus, the interactivity of the learning objects becomes the crucial criteria of the quality of learning within the computer-based learning environment. The web-based GETsoft offers many multimedia components that can be used by teachers to organize their own learning units. Students get access to typical subject topics and questions. The interactive components and tasks with self- control opportunities make possible the active treatment of the subject matter. Intelligent Problem Solving Environments (IPSEs), a special type of intelligent tutoring systems, are being developed by the research group of Prof. C. Möbus (OFFIS, Oldenburg). The ideas of IPSE have been adapted for the new (for the approach) domain of the basics of electrical engineering and for new kinds of tasks (symbolic analysis, circuit analysis, solution draft control). The concept of the knowledge-based problem solving environment mileET from the EE-education point of view and implementation of a part of its knowledge base are presented in these theses. MileET represents an innovative kind of learning support within the GET area. It is intended to be used by students for active, independent learning while solving tasks with and in the program. Students have the possibility to formulate different solution proposals and ask the program to check them. The implemented knowledge-based component, a special kind of expert system, contains necessary knowledge for tasks and methods of the network analysis and possesses the ability of symbolic task solving. Due to a flexible and dynamic solution production with consideration of the user's inputs, an adaptive feedback on the solution draft as well as an adaptive completion of an incomplete user's solution can take place. To the teachers, the program offers the possibility to provide different (new) tasks and to leave the routine correction work to the program. The key results, as well as some ideas concerning the future work on the intelligent learning environment GETsoft complete this paper.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Ansätze vorgestellt, die zur Entwicklung einer computergestützten Lernumgebung für ein explorierendes Lernen am Fachgebiet Grundlagen der Elektrotechnik (GET) beitragen und sich als Weiterentwicklung der Forschungen des Fachgebietes in Richtungen multimedialer und intelligenter Lernumgebungen einordnen lassen. Konzeption und Implementierung interaktiver Lernmodule für die GET-Domäne, Einsatz von Ingenieurwerkzeugen in der GET-Lehre, sowie Konzeption und prototypische Implementierung einer wissensbasierten Problemlöseumgebung für GET sind die Aufgabenstellungen dieser Arbeit. Da in virtuellen (computerbasierten) Lernumgebungen für individualisiertes Lernen das Lernen in erster Linie die kognitive Auseinandersetzung des Lernenden mit dem zu lernendem Inhalt (dem Lernobjekt) bedeutet, wird Interaktivität der Lernobjekte zu einem der entscheidenden Qualitätskriterien des Lernens und der Lernumgebungen. Die webbasierte Lernumgebung GETsoft bietet den Lehrenden viele multimediale Komponenten für das Zusammenstellen ihrer Vorlesungen und Übungen. Interaktive Experimente und Aufgaben mit Möglichkeiten zur Selbstkontrolle ermöglichen den Studierenden eine aktive Verarbeitung des Lehrstoffes. Der in der Forschungsgruppe von Prof. C. Möbus (OFFIS, Oldenburg) entwickelte IPSE-Ansatz wurde auf der neuen für den Ansatz Domäne der Grundlagen der Elektrotechnik und für die neuen Aufgabenarten (Formelnanalyse, Lösungsentwurfskontrolle, Schaltungsanalyse) umgesetzt. Die Konzeption der Problemlöseumgebung mileET aus der GET-Sicht und einige Teile der implementierten wissensbasierten Komponente werden in der Arbeit betrachtet. MileET ist eine innovative Art der Lernerunterstützung auf dem GET Gebiet. Das Programm ermöglicht den Lernenden aktives, selbständiges Lernen durch Aufgabenlösen mit und in dem Programm. Studierende haben die Möglichkeit verschiedene Lösungsentwürfe zu verschiedenen Aufgaben zu den Themenfeldern Methoden der Netzwerkberechnung zusammen zu stellen und vom Programm testen zu lassen. Die implementierte wissensbasierte Komponente, eine spezielle Art des Expertensystems, besitzt die Fähigkeit die Aufgaben symbolisch zu lösen, so dass eine flexible und dynamische Lösungserzeugung unter Berücksichtigung der Benutzereingaben stattfindet und eine adaptive Rückmeldung über den Lösungsentwurf sowie eine adaptive Vervollständigung einer unvollständigen Benutzerlösung erfolgen. Den Lehrenden bietet das Programm die Möglichkeit verschiedene (neue) Aufgaben einfach zu erstellen und die Korrekturarbeit dem Programm zu überlassen. Die Überlegungen zur Weiterentwicklung der intelligenten Lernumgebung GETsoft sind schließen die Arbeit ab

Verzeichnis von Softwarekomponenten für natürlichsprachliche Systeme : Ergebnisse einer Umfrage im Rahmen der VERBMOBIL-Vorbereitung

Das DFKI (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz) wurde vom BMFT (Bundesministerium für Forschung und Technologie) mit der Durchführung einer Umfrage zu existierenden Software-Komponenten im Bereich Verarbeitung natürlicher Sprache beauftragt (413 - 4001 - 01 IV 201). Das Ziel der Umfrage war die Erstellung einer Übersicht von in Deutschland verfügbaren Software-Komponenten, die im Bereich der natürlichsprachlichen Systeme für das Projekt VERBMOBIL relevant sein könnten. Das Ergebnis dieser Umfrage liegt nun vor. Zur Durchführung der Umfrage wurde ein Fragebogen erstellt, der im März 1992 über die News-Gruppe mod-ki verbreitet und außerdem an ca. 400 Adressen geschickt wurde (Mitglieder der Gesellschaft für Informatik e. V. FA 1.3 1 "Natürliche Sprache", Mitglieder der DGfS, Sektion Computerlinguistik). Das Verzeichnis ist auf in Deutschland entwickelte Software beschränkt und enthält akademische, kommerzielle und geschützte Software, wobei jeweils angegeben ist, unter welchen Bedingungen die Komponenten erhältlich sind

Verzeichnis von Softwarekomponenten für natürlichsprachliche Systeme : Ergebnisse einer Umfrage im Rahmen der VERBMOBIL-Vorbereitung

Das DFKI (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz) wurde vom BMFT (Bundesministerium für Forschung und Technologie) mit der Durchführung einer Umfrage zu existierenden Software-Komponenten im Bereich Verarbeitung natürlicher Sprache beauftragt (413 - 4001 - 01 IV 201). Das Ziel der Umfrage war die Erstellung einer Übersicht von in Deutschland verfügbaren Software-Komponenten, die im Bereich der natürlichsprachlichen Systeme für das Projekt VERBMOBIL relevant sein könnten. Das Ergebnis dieser Umfrage liegt nun vor. Zur Durchführung der Umfrage wurde ein Fragebogen erstellt, der im März 1992 über die News-Gruppe mod-ki verbreitet und außerdem an ca. 400 Adressen geschickt wurde (Mitglieder der Gesellschaft für Informatik e. V. FA 1.3 1 "Natürliche Sprache", Mitglieder der DGfS, Sektion Computerlinguistik). Das Verzeichnis ist auf in Deutschland entwickelte Software beschränkt und enthält akademische, kommerzielle und geschützte Software, wobei jeweils angegeben ist, unter welchen Bedingungen die Komponenten erhältlich sind

Expertensysteme und industrielle Facharbeit: ein Gutachten über denkbare qualifiktorische Auswirkungen von Expertensystemen in der fertigenden Industrie ; erstellt im Auftrag der Enquete-Kommission "Technikfolgenabschätzung und -bewertung" des Deutschen Bundestages

Zwar liegen bisher keine einigermaßen gesicherten empirischen Befunde über die Folgen des Einsatzes von Expertensystemen auf die - direkt oder indirekt - betroffenen Fachkräfte in der Industrie vor. Doch besteht ein hohes arbeits- und technologiepolitisches Interesse daran, möglichst früh den 'Korridor' denkbarer Effekte abzustecken, um genügend Zeit für eventuell wünschbare steuernde Interventionen zu gewinnen. Zu diesem Zweck postuliert das Gutachten, das im Auftrag des Enquete-Ausschusses des Deutschen Bundestages erstellt wurde, daß (1) der Einsatz von Expertensystemen Bestandteil und Fortführung betrieblicher Rationalisierungspolitiken und -maßnahmen tayloristischer oder auch nicht-tayloristischer Art ist (genauer: sein wird), und daß (2) Innovationseuphorie, Einführungsdruck sowie das Fehlen einer realistischen Konzeption der Qualifikation industrieller Fachkräfte ein verbreitetes Risiko überschätzter Leistungsfähigkeit von Expertensystemen begründen. Auf der Grundlage dieser beiden Annahmen werden vier 'immaginäre Fallbeispiele' konstruiert, mit deren Hilfe dann - verallgemeinernd - vor allem die Gefahr von nicht-intendierten und unerwarteten Folgewirkungen zu demonstrieren ist, die zumeist sowohl die Fachkräfte wie die Betriebe treffen würden

Adaptivität von hypermedialen Lernsystemen : Ein Vorgehensmodell für die Konzeption einer Benutzermodellierungskomponente unter Berücksichtigung kulturbedingter Benutzereigenschaften

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht ein Benutzermodellierungsansatz, der kulturbedingte Benutzerei-genschaften als einen determinierenden Faktor bei der Entwicklung von adaptiven hypermedialen Lernanwendungen betrachtet. Besondere Berücksichtigung finden dabei mehrere der von Kulturan-thropologen definierten Kulturdimensionen, die kulturspezifischen Merkmale verschiedener wissen-schaftlicher Stile und Diskursstrukturen sowie die Einflüsse kultureller Werte auf Konventionen des Designs von grafischen Benutzerschnittstellen. Ausgehend von der Annahme, dass das jeweilige kul-turspezifische Bildungssystem zur Herausbildung des Lernstils eines Einzelnen beiträgt und sich somit auch auf die Akzeptanz und Effektivität der genutzten Software auswirkt, wird diese Analyse auf den Bereich der Didaktik ausgeweitet. Diese kulturorientierte Adaptationsstrategie sieht zunächst den Einsatz von zwei Erhebungsmethoden vor. Das Ziel der Evaluation von Lernprogrammen aus verschiedenen Kulturen in den Bereichen Lay-out und multimediale Gestaltung, Interaktion und Navigation, Inhaltspräsentation und Didaktik besteht in der Ermittlung von kulturbedingten Designmerkmalen. In der hier betrachteten Fallstudie erfolgt ein Vergleich von britischen und deutschen Lernprogrammen. Die Durchführung einer kulturvergleichen-den Lernstilanalyse im Rahmen einer Befragung von potentiellen Benutzern aus den gewählten Kultu-ren dient der Vertiefung der Evaluationsergebnisse. Die Integration eines Lernstiltests in das adaptive System bietet an dieser Stelle eine noch genauere Möglichkeit der individuellen Erfassung des Benut-zerlernstils. Auf Basis der Ergebnisse dieser Vorstudie werden kultur- und lernstilspezifische Lernpro-gramm-Profile konstruiert. Das Vorgehensmodell sieht die Festlegung unterschiedlicher Grade der Wiederverwendbarkeit von Elementen eines Ausgangslernprogramms vor. Neben dem reinen Aus-tausch von bestehenden Programmteilen erfolgt die Konzeption kulturspezifischer Varianten, ggf. auch die Entwicklung neuer Elemente. Die Lernprogramm-Profile dienen wiederum als Vorlage für den Aufbau von Stereotypen, deren Zuordnung zu einem Benutzer den Ausgangspunkt des Adaptati-onsprozesses bildet. Auf der Grundlage des kontinuierlichen Monitoring des Navigationspfades sowie der systemseitigen Befragung des Benutzers nach dessen Zustimmung zu einer Anpassungsmaßnahme wird der Adaptationsprozess fortgeführt und das Benutzermodell laufend aktualisiert. Zusätzlich zu der Definition von Lernprogramm-Profilen ist zuvor die kulturorientierte Zusammenstellung von Methoden und Techniken der adaptiven Inhaltspräsentation und Navigationsunterstützung erforderlich. Der Benutzermodellierungsansatz wird im Rahmen von Usability-Tests unter Beteiligung von Benut-zern aus Großbritannien und Irland überprüft. Die Zufriedenheit der Probanden mit dem getesteten Lernsystem wird zunächst als eine Bestätigung für das dem Designkonzept zugrunde liegende Vorge-hensmodell betrachtet. Die Testergebnisse zeigen die bei der Lernprogrammevaluation bereits ermit-telte Dominanz der englischen Diskursregeln über Werte, die durch Kulturdimensionen erfasst werden. Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass sich der Einfluss der Diskursnormen sowohl auf die Inhaltspräsentation als auch auf die Bereiche Navigation und Didaktik erstreckt. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer Adaptationsstrategie, die über traditionelle Lokalisierungsansätze hinausgeht.This thesis presents a user modeling approach which views culture-bound user characteristics as a crucial factor of the design of adaptive hypermedia learning systems. Several dimensions of culture defined by cultural anthropologists are examined as well as the cultural variables in intellectual styles and discourse structures, and the effects of cultural value orientations on GUI design conventions. This analysis is extended to the field of didactics - based on the assumption that the culturally specific edu-cational environment affects the learning style of an individual and therefore the acceptance and effec-tiveness of educational software. This culture oriented adaptation strategy is put in concrete terms by first applying two research meth-ods: the evaluation of educational software from different cultures in the areas of layout and multime-dia, interaction and navigation, content presentation and didactics, and a questioning of target audience members on their learning styles. The purpose of the evaluation is to investigate culturally specific design principles. In the case study described in this thesis the characteristics of British and German systems are compared. The questioning aims at deepening the results of the evaluation by performing a cross-cultural learning style analysis. With the learning style inventory being part of the adaptive system an even more precise way of determining the individual learning style of the user is provided. According to the results of this preliminary study culture and learning style based profiles of system design features are constructed. The central idea of this personalization strategy is to determine which elements of an existing e-learning application can be reused and which need to be modified when adapting the system to the characteristics of users from a chosen target culture. This includes the de-sign of variations, and if required the development of new elements. The design profiles are supposed to serve as patterns for the construction of stereotypes. The assignment of stereotypes to an individual user forms a starting-point for the adaptation process. This process continues by updating the user model on the basis of the monitoring of the navigational path and a questioning whether the user agrees with the adaptation the system is about to perform. In addition to the definition of design profiles a culture oriented set of adaptive methods and techniques of content presentation and navigational support has to be assembled. The user modeling approach is being examined in usability tests with users from Great Britain and Ireland. The results show acceptance of the tested learning system which is seen as a confirmation of the adaptation strategy employed. They indicate a dominance of discourse principles over the values described by the dimensions of culture which already has been detected in the context of the evalua-tion. The testing also shows that discourse norms not only influence user preferences in the area of content presentation but also have an impact on expectations concerning navigation and didactics. These findings point out the necessity of an adaptation approach which goes beyond a conventional localization strategy