Forum - Ausgabe 2010/2011

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2010/2011

The Development Process of a Teaching and Learning Environment featuring Digital Media for a Poetic "Textwerkstatt Deutsch" - Constructing the Domain Model in a Didactic Design Process

Nach wie vor existieren kaum Lernsoftware-Produkte bzw. digitale Lern-Arrangements, die deutschdidaktischen Ziel-, Inhalts-, Methoden- und Lernwirksamkeitsansprüchen genügen. Grundlage für die Auseinandersetzung mit diesem Defizit war ein interdisziplinäres Forschungsprojekt zwischen dem Fach Deutsch und der Bildungsinformatik. Initiiert durch das ursprüngliche Bestreben, das besondere Potenzial eines lyrik-didaktischen Gegenstands in ein digitales Medium umzusetzen, werden in der Arbeit über diesen Einzelfall hinausreichende, bildungsinformatische Modelle für Didaktische Designprozesse (didactic design process, DDP) entwickelt. Die methodischen Implikationen dieser Modelle bilden die Grundlage für das Didaktische Drehbuch (didactic storyboard, DSB), einem im Projekt entwickelten Instrument, dessen Einsatz im DDP dargestellt wird. Beim Versuch, unmittelbar das Produktziel zu verwirklichen, stößt man auf erhebliche Schwierigkeiten, die sowohl für die angewandte Mediendidaktik als auch die angewandt Informatik, insbesondere das Software Engineering (SE), oft typisch sind: Die Modellierung der fachlichen Lösung – im vorliegenden Fall der fachdidaktischen Lösung – fällt einer einseitigen Konzentration auf die dinglichen Qualitäten bzw. materialen Eigenschaften des angestrebten Endprodukts zum Opfer. Wenn man bestimmte, herkömmliche SE-Methoden für das didaktische Design einsetzt, kann es sogar zu einer Multiplikation negativer Effekte kommen. Bestimmte Formen des Prototyping-Verfahrens führen beispielsweise zu einem naiven Technizismus. Ähnliche Zusammenhänge werden in Literatur und Praxis unter anderem mit dem Sprachproblem (im vorliegenden Fall zwischen eher geisteswissenschaftlich und formalwissenschaftlich geprägten Disziplinen) oder verschiedenen, aus dem SE bekannten Phänomenen, wie der „pragmatischen Lücke“ oder dem „requirements creeping“, in Verbindung gebracht. Die eigenen Erfahrungen im Projekt deckten darüber hinaus eine tiefer liegende, prinzipielle Schwierigkeit auf: didaktische Modelle können generell kaum bis ins Detail explizit angegeben werden. Die Konzepte sind oft sehr lückenhaft. (Im Präsenzunterricht können derartige „Lücken“ durch „Improvisieren“ geschlossen werden – was u.U. die Qualität des Unterrichts sogar erhöht –, nicht jedoch bei digitalen Lernumgebungen.) Es müssen also neue Mittel und Wege für das didaktische Design gefunden werden. Schwerpunkt der Arbeit ist deshalb nicht das Ergebnis, sondern der Designprozess selbst. Ähnliche Betrachtungen im Zusammenhang mit digitalen Lern-Arrangements finden sich in anwendbarer Form in der Mediendidaktik und -pädagogik bisher kaum, in der Fachdidaktik Deutsch gar nicht. Das SE hingegen stellt Vorgehensmodelle für die Softwareentwicklung bereit; diese sind jedoch nicht ohne weiteres auf den DDP übertragbar. In Kapitel 3 werden deshalb eigene, genuin bildungsinformatische Modelle entwickelt: Ein Prozessmodell für den DDP sowie ein Produktmodell für Lern-Arrangements, das offen genug ist, sowohl das didaktische Feld zu beschreiben, als auch den Bezug zu technischen Produktmerkmalen herzustellen. Es werden die Spezifika von iterativ-inkrementellen und hermeneutisch-zyklischen DDPs, insbesondere auch das Konzept der Subprozesse, erarbeitet. Dabei ist der entscheidende Schritt zur Lösung des didaktischen Modellierungsproblems die regelrechte „Umkehr der Konstruktionsrichtung“: Zur Modellierung des Fachkonzepts ist ein spezifisches Konstruktionsverfahren, das einen erheblichen Anteil am Prozess hat, notwendig. Das bloße Abfragen von Anforderungen als Vorgaben für den Medienentwurf ist nicht ausreichend und sogar kontraproduktiv. Das Didaktische Drehbuch (DSB), das im 4. Kapitel vorgestellt wird, unterstützt ein solches Verfahren. Es bezeichnet ein Instrument, eine Methode und ein Artefakt für die Hilfestellung bei der Lösung des Sprach-, Konstruktions- und Anforderungsproblems. Ein wesentliches Konzept des DSB ist das Handlungskonstrukt, das kontrastierend zum Anforderungs- und Objektkonstrukt aus dem SE verwendet wird. Das DSB unterstützt differenzierte Heuristiken. Markant ist die „Heuristik der Spiegelung“, die Gegenüberstellung von Lehr- und Lernhandlungen. Es bestehen Zusammenhänge mit Basis- und Notationskonzepten aus der Systemanalyse („system analysis“, „business modelling“) des SE. Die Anwendung des DSB wird an einem Standard-Beispiel aus dem SE und Proben aus der Projektarbeit gezeigt. Ein softwaregestütztes DSB-Tool wird in Grundzügen beschrieben. Für die Weiterentwicklung der Modelle und Instrumente gibt es zwei Hauptrichtungen: Die Nutzung für primär didaktische Zwecke, wie z.B. eine „analytische Unterrichtsplanung“, sowie die Nutzung für die didaktisch qualifizierte Produktion von digitalen Lehr-Lern-Systemen. Das DSB verspricht auch neue Impulse für die Validierung und Evaluation von Lehr-Lern-Systemen im Kontext des didaktischen Feldes.The German “Didaktik” is the science of teaching and learning. Didactic experts of German as a school subject criticize the mostly low “didactic” quality of learning software and multimedia learning tools concerning their domain, in spite of the increasing technical possibilities of multimedia. These inadequacies result in a low effectiveness on the learning processes of students and pupils. Our research project at a university of education dealt with this problem. The objective was to find ways and methods for designing learning software including more (subject) didactic aspects. Didactic experts of the subject of German literature, especially poetry, and experts for applied computer science, especially software engineering, cooperated closely in this project. A first approach toward a solution was to use standard engineering methodology. Software engineering (SE) offers heavyweight and lightweight processes for application in software development. When using such methods of SE in order to design, the typical result might be a one-sided focus on material features of the product, thus neglecting the didactic aspects such as didactic objectives, contents and methods. For example the application of a particular concept of throwaway prototypes might produce the very simplistic effect of “technical featurism”. Literature and practice concerning SE discuss different reasons and aspects regarding these phenomena, such as the “pragmatic gap”, “requirements creeping” and especially the “communication problem” between workers of different domains (in our case specialists for poetry versus engineers). All these aspects do apply; however, when modelling a “didactic concept” a deeper, essential problem emerges: The didactic concept itself is insufficient; and as a matter of principle it is difficult to explicitly specify the didactic model. To solve this problem a new methodology is necessary: It has to integrate SE methods such as approaches to “system analysis” and “business modelling” as well as multiple didactic approaches such as learning theory, instructional design, best practices, knowledge of teachers and so on. Didactic experts must be especially involved into the design process. To realize this, a set of generic models is developed in the thesis: fundamentals of a “didactic design process” (DDP) and its products, learning-environments and “didactic media”. (We call it learning-environments or -systems rather than teaching-environments, because learning may happen without teaching. We don't call it "instructional systems", because learning-environments can be more or less "instructional"). The reversion of the “direction of construction” distinguishes the DDP from “conventional” development processes. First of all the didactic model itself has to be constructed, regardless of the architectural model of the product or any technical or media aspects. As a result of the research project, the Didactic Storyboard (DSB) offers a method to do this systematically: It is a method, a tool and an artefact that supports the “didactic modelling”. It focuses on pedagogical and didactic aspects; the technical features are derived from those. It differs from SE concepts, as, for example, it employs activities (“Handlungen”) instead of using “requirements”, “use cases” or “object-oriented” concepts. It offers different heuristic methods, e.g. the detailed contrasting of learning and teaching activities. The DSB supports practical, creative work within the design process. Concerning further development of the DSB and the DDP there are two main points of focus. In terms of form, a software tool has to be developed in order to use it ergonomically and efficiently. In terms of content, there are two main directions. Firstly, in the field of didactics, e.g. teacher education, the DSB can help to overcome the gap between theory and practice by modelling, analysing, reflecting and evaluating scenarios of lessons for specific subjects. Secondly, in software production the DSB can promote the improvement of learning-environments

Ergebnisbericht des Jahres 2001 des Projektes MuSofT Multimedia in der SoftwareTechnik

Das Vorhaben MuSofT - Multimedia in der Softwaretechnik wird seit dem 1. März 2001 vom Bundesministerium für Buildung und Wissenschaft im Rahmen des Programms Neue Medien in der Bildung gefördert. An diesem Vorhaben nehmen die folgenden Hochschulen teil: Fachhochschule Lübeck, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Universität Paderborn, Universität Dortmund, Universität Siegen, Universität Stuttgart und die Universität der Bundeswehr in München. Wir haben uns in diesem Projekt vorgenommen, die Ausbildung in der Softwaretechnik an den Stellen, an denen es sinnvoll erscheint, durch den Einsatz Neuer Medien zu nterstützen. Das Vorhaben wird bis zum Ende des Jahres 2003 laufen. Mit dieser Sammlung wollen wir nach etwa einjähriger Laufzeit die ersten Projektergebnisse vorstellen. Wir haben uns im Zeitplan des Projekts vorgenommen, gründlich über die verwendeten Konzepte und Lehrinhalte nachzudenken, die Frage der Plattformen gerade am Anfang nicht auszuklammern, aber auch zu überlegen, wie wir die Nachhaltigkeit unserer Entwicklungen schon während der Projektarbeit sichern können. Das alles und noch viel mehr ist in den Beiträgen dieser Sammlung diskutiert. Um von der Struktur gleichförmige Beiträge zu bekommen, haben wir eine grobe Gliederung vorgegeben, um gleichförmige Qualität zu erreichen, haben wir die Beiträge intern begutachten lassen; die Ergebnisse der Begutachtung sind in die vorliegenden Darstellungen eingeflossen

Erweiterte virtuelle Umgebungen zur interaktiven, immersiven Verwendung von Funktionsmodellen

Dem Erkennen und Verstehen von komplexen Produktabhängigkeiten u. a. durch Visualisierung, auch über die klassischen Domänengrenzen hinweg, kommt eine zentrale Bedeutung, insbesondere während den frühen Konstruktionsphasen, zu. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prototyp entwickelt, mit dessen Hilfe Funktionsmodelle in virtuelle Umgebungen übertragen und interaktiv genutzt werden können. Dies fördert das interdisziplinäre Gesamtverständnis und unterstützt eine frühzeitige Qualitätskontrolle

Verifizierbare Entwicklung eines satellitenbasierten Zugsicherungssystems mit Petrinetzen

Nowadays model-based techniques are widely used in system design and development, especially for safety-critical systems such as train control systems. Given a design model, executable codes could be generated automatically from the model following certain transformation rules. A high-quality model of a system provides a good understanding, a favourable structure, a reasonable scale and abstraction level as well as realistic behaviours with respect to the concurrent operation of independent subsystems. Motivated by this principle, a first Coloured Petri Net (CPN) model of a satellite-based train control system (SatZB) with the capability of continuous simulation is developed employing the BASYSNET method which adopts Petri nets as the means of description during the whole development process. After establishing the system model, the verification tasks are identified based on the hazard analysis of the train control system. To verify the identified tasks for quality assurance, verification by means of simulation, formal analysis and testing is carried out considering the four representing system properties: function, state, structure and behaviour. For structural analysis, the concept of open nets is proposed to check the reproducibility of empty markings of scenario nets, the existence of dead transitions in the scenario nets, and the terminating states of the scenario nets. The system behaviour, in which states are involved, is investigated by reachability analysis. Unlike the conventional method of reachability analysis by calculating the state space of the Petri net, techniques based on Petri net unfoldings are introduced in this thesis. As to the functional verification, two model-based test generation techniques, i.e., CPN-based and SPENAT (Safe Place Transition Nets with Attributes)-based techniques, are presented. In this thesis, the proposed methods are exemplified by the application to the on-board module of SatZB model. According to the verification results, no errors were found in the module. Therefore, the confidence in the quality of the on-board module has been significantly increased.Heutzutage werden in zahlreichen Anwendungen modellbasierte Techniken zur Systementwicklung, insbesondere für sicherheitskritische Systeme wie Eisenbahnleit- und -sicherungssysteme, verwendet. Aus einem Design Modell kann dabei ausführbarer Code automatisch nach bestimmten Transformationsregeln generiert werden. Ein hochwertiges Modell des Systems bietet für die Entwicklung ein gutes Verständnis, eine günstige Struktur, eine angemessene Größenordnung und Abstraktionsebene als auch realistische Verhaltensweisen in Bezug auf den gleichzeitigen Betrieb von unabhängigen Subsystemen. Motiviert von dieses Prinzip wird ein erstes Farbige Petri-Netz (CPN)-Modell eines satellitenbasierten Zugsicherungssystem (SatZB) unter Verwendung der BASYSNET Methode entwickelt, der Petri-Netze als Beschreibungsmittel während des gesamten Entwicklungsprozesses nutzt. Dieses Modell bietet die Möglichkeit zur kontinuierlichen Simulation des Systemverhaltens. Nach der Erstellung des Systemmodells werden die Verifikationsaufgaben auf der Grundlage der Gefährdungsanalyse des Zugsicherungssystems identifiziert. Die abgeleiteten Bedingungen werden zur Qualitätssicherung durch Simulation, formale Analysen und Tests unter Berücksichtigung der vier Systemeigenschaften (Funktion, Zustand, Struktur und Verhalten) verifiziert. Für die Strukturanalyse wird das Konzept der offenen Netzen vorgeschlagen, um die Reproduzierbarkeit der leeren Markierungen der Szenario-Netze, die Existenz der Toten Transitionen in den Szenario-Netze, und die Abschluss Zustände der Szenario-Netze zu prüfen. Das Systemverhalten wird dabei durch Zustände beschrieben und durch eine Erreichbarkeitsanalyse untersucht. Im Gegensatz zu der konventionellen Methode, welche die Erreichbarkeit durch die Berechnung des Zustandsraums des Petri-Netzes analysiert, werden in dieser Arbeit Techniken auf Basis von Petri-Netz-Entfaltung eingeführt. Für die funktionale Verifikation werden zwei modellbasierte Testgenerierungstechniken, eine CPN-basierte und eine SPENAT (Sicheres Petrinetz mit Attributen)-basierte, vorgestellt. In dieser Arbeit werden die vorgeschlagenen Methoden durch die Anwendung auf das On-Board-Modul des SatZB-Modells veranschaulicht. Dabei wurden nach dem Abschluss der Prüfungen keine Fehler im Modul gefunden, wodurch das Vertrauen in die Qualität des On-Board-Moduls deutlich erhöht wurde

Exploring Resources. On Cultural, Spatial and Temporal Dimensions of ResourceCultures

This book presents case studies of the SFB 1070 ResourceCultures, which use an extended resource definition. Resources are analysed as contingent means to construct, sustain and alter social relations, units and identities. Accordingly, resources are seen as means of social practices of actors that depend on cultural and social appropriation and valuation. They constitute ResourceCultures. The contributions cover the topics of cross-sectional working groups and conferences that shaped the interdisciplinary collaboration on cultural, spatial and temporal dimensions of resources and ResourceCultures