Unterstützung des kooperativen Wissenserwerbs durch Hypervideo-Inhalte

Diese Arbeit behandelt die Unterstützung des kooperativen Wissenserwerbs auf der Basis von Hypervideoinhalten. Hypervideo wird als ein videobasiertes Hypermedia-Format definiert, das eine nicht-lineare Informationsstruktur mit einer dynamischen audio-visuellen Informationspräsentation kombiniert. Der Medientyp Video, als primärer Informationsträger für Hypervideo, hat in den letzten Jahren an Bedeutung stark zugenommen. Dabei kann Video als Grundlage für eine Gruppendiskussion dienen, um komplexe und zeit-dynamische Prozessvorgänge zu kommunizieren. Dies macht Video zu einem idealen Format für den kooperativen Wissenserwerb innerhalb verteilter Anwendungsumgebungen. Das Konzept des kooperativen Hypervideos erweitert die Vorteile des Videos in Bezug auf gruppenbasierende Diskussionen und/oder Konversationen. Durch den Ansatz des kooperativen Hypervideos können Gruppen ihr Wissen untereinander austauschen und so neues Wissen innerhalb der Gruppe schaffen. Der Wissensaustausch basiert dabei auf ein verteiltes Annotationskonzept, mit dem es ermöglicht wird Objekte in einer Videosequenz zu kennzeichnen und diese Kennzeichnungen mit weiterführenden Informationen zu verknüpfen. Hierdurch entsteht eine nicht-lineare Informationsstruktur, auf die Gruppenteilnehmer effektiv zugreifen können. Der generelle Lösungsansatz dieser Arbeit basiert auf einem Interaktionsmodell, einer Referenzarchitektur sowie einem Datenmodell für kooperatives Hypervideo. Das Interaktionsmodell definiert ein User-Interface-Konzept in Bezug auf die Visualisierung und die Bedienung innerhalb der kooperativen Hypervideo-Umgebung. Die Referenzarchitektur bietet eine logische Sicht auf ein generisches Hypervideo-System. Diese Architektur bildet die Grundlage für konkrete Systemrealisierungen und dient somit der Umsetzung des generellen Lösungsansatzes für unterschiedliche Anwendungsszenarien. Das Datenmodell definiert ein Kernkonzept zur Organisation der Basiselemente (Knoten, Links, Anker und Metadaten) einer kooperativen Hypervideo-Struktur. Der generelle Lösungsansatz wurde durch eine Systemrealisierung im Rahmen von mehreren Feldversuchsstudien validiert. Insgesamt nahmen an diesen Feldversuchsstudien über 130 Personen teil. Das Ergebnis der Studien lieferte einen positiven Beweis für die in dieser Arbeit entwickelten Konzepte. Es konnte damit nachgewiesen werden, dass mit Hilfe einer kooperativen Hypervideo-Umgebung der gemeinsame Wissenserwerb in Gruppen auf der Basis von Videoinhalten maßgeblich gefördert wurde

Konzeption, Entwicklung und Organisation einer webbasierten Lernumgebung für die ingenieur-technische Ausbildung am Beispiel Grundlagen der Elektrotechnik

In der vorliegenden Arbeit wird ein systematisches und durchgängiges Prozess- und Vorgehensmodell zur Entwicklung von webbasierten Lernumgebungen mit Fokus auf die Ingenieurwissenschaften beschrieben. In diesem Rahmen werden die Konzeption, Erstellung, Verarbeitung und Verwaltung von Lernobjekten mit einem Datenbankmanagementsystems nach dem LOM-Standard eingebettet. Die Arbeit lässt sich dabei in die Reihe der Forschungen am Fachgebiet Grundlagen der Elektrotechnik zu multimedialen und webbasierten Lernumgebungen einordnen. Am Beispiel GETsoft werden konkrete Problemstellungen bei der Umsetzung von Komponenten einer Lernumgebung aufgezeigt und fachspezifische Lösungsmodelle angeboten. Die Motivation und Zielsetzung, die Einordnung der Arbeit und die Vorgehensweise sowie eine Analyse von geleisteten Vorarbeiten sind im ersten Kapitel dargestellt. Neben einer umfassenden Analyse von Lernumgebungen in ingenieur-wissenschaftlichen Disziplinen ist die Konzeption eines adaptierbaren Prozess- und Vorgehensmodells zur Erstellung einer Lernumgebung bestehend aus Lernobjekten und Komponenten die Aufgabenstellung dieser Arbeit.Mit den Grundlagen von webbasierten Lernumgebungen im ingenieur-wissenschaftlichen Bereich, E-Learning-Standards, Softwareentwicklungsprozessen und Datenbanktechnologien beschäftigt sich das zweite Kapitel. Bereits im Grundlagen¬kapitel wird die Idee eines Ebenenmodells für Lernumgebungen in Kombination mit einem speziellen Modell von Lernobjekten entwickelt.Das dritte Kapitel analysiert anhand eines Kriterienkataloges den Stand der Technik auf dem Gebiet webbasierter Lernumgebungen in einigen ingenieur-wissenschaftlichen Grund¬lagenfächern. Detailliert wird die aktuelle Situation in den Fächern Physik, Mathematik, Maschinenbau und Elektrotechnik analysiert. Daneben wird kurz auf Chemie und Medizin sowie den internationalen Sprachraum eingegangen. Die medientechnische Analyse und Konzeption eines adaptierbaren Prozess- und Vorgehensmodells für die Entwicklung webbasierter Lernumgebungen wird im vierten Kapitel beschrieben. Evolutionäres Prototyping und objektorientierter Entwurf stehen hier im Mittelpunkt eines Vorgehensmodells zur ebenenbasierten System- und Lern¬objektentwicklung.Das fünfte Kapitel schildert konkrete Umsetzungen der allgemeinen Konzeption an Beispielen aus GETsoft. Anschauliche Umsetzungen der Mediengestaltungskonzepte über¬führen die Theorie in die Praxis. Die Funktionalitäten und Schnittstellen der GETsoft-Datenbank für standardisierte wiederverwendbare Lernobjekte und ihre Meta¬daten stellen hier einen Schwerpunkt dar.Im Kapitel sechs werden Beispiele und Ansätze zum Transfer, der Vernetzung sowie zur Verbreiterung von GETsoft vorgestellt. Das letzte Kapitel stellt Überlegungen zu Erfolgsfaktoren von Lernumgebungen an, diskutiert kurz offene Wissensressourcen als Zukunftsmodell und bettet darüber Ideen zur Weiterentwicklung von GETsoft ein

Interaction Design Patterns und CSCL-Scripts für Videolernumgebungen

In den letzten Jahren haben Lernvideos im Bereich des informellen und formellen Lernens an Bedeutung gewonnen. Inwieweit Lernende bei der Nutzung von Videos unterstützt werden und Lehrende didaktische Szenarien umsetzen können, hängt jedoch von der eingesetzten Videolernumgebung ab. Es ist Anliegen der vorliegende Arbeit, Prinzipien des User Interface Designs sowie Komponenten und Mechanismen videobasierter Lehr-Lern-Szenarien in Bezug auf Videolernumgebungen zu identifizieren, zu beschreiben und technisch zu realisieren. Das Ziel besteht darin, Gestaltungsprinzipien in Form von Interaction Design Patterns zu erarbeiten und computergestützte videobasierte Lehr-Lern-Szenarien mit Hilfe von CSCL-Scripts durch eine geeignete Spezifikation und Formalisierung zu realisieren. Für die Erarbeitung der Interaction Design Patterns wurden 121 Videolernumgebungen hinsichtlich 50 Kategorien in einer Inhaltsanalyse empirisch untersucht und dokumentiert. Unter Berücksichtigung ähnlicher Patterns aus thematisch verwandten Pattern Languages und den Erfahrungen aus der Implementierung und dem Einsatz von Videolernumgebungen entstanden 45 Interaction Design Patterns für verbreitete Lösungen für wiederkehrende Probleme bei der Gestaltung und Entwicklung von Videolernumgebungen. Diese Patterns wurden auf Pattern Konferenzen diskutiert und im Anschluss evaluiert sowie bei der Konzeption, Entwicklung und Bewertung mehrerer Videolernumgebungen angewendet. Zudem wurde das Software Framework VI-TWO vorgestellt, mit dem sich fast alle Patterns auf einfache Weise in Web-Anwendungen realisieren lassen. Zur Spezifikation videobasierter CSCL-Scripts wurden existierende videobasierte und nicht videobasierte Scripts analysiert. Im Ergebnis unterschieden sich videobasierte CSCL-Scripts von allgemeinen CSCL-Scripts vor allem hinsichtlich der mit dem Video verknüpften oder darin verankerten Aufgaben und Aktivitäten. Videos werden dabei nicht als monolithische Einheiten, sondern als zeitkontinuierliche Medien betrachtet, in denen weitere Informationen zeitgenau verankert und Lernaktivitäten stattfinden können. Außerdem ließen sich drei Typen videobasierter CSCL-Scripts identifizieren: (1) Scripts zur Analyse und Diskussion von Videoinhalten, (2) Peer Annotation Scripts einschließlich dem Peer Assessment und (3) Jigsaw-Scripts, die das problembasierte Lernen mit Hilfe von Videos ermöglichen. Unabhängig davon variiert die Komplexität der Scripts auf drei Stufen: (1) sofern voneinander abgegrenzte zeitliche Phasen von Lernaktivitäten bestehen, (2) wenn darüber hinaus die Teilnehmer innerhalb von Gruppen Aufgaben bearbeiten (intra-group) und (3) falls außerdem Aufgaben auch gruppenübergreifend bearbeitet werden (inter-group). Auf Grundlage der Spezifikation konnte ein Datenmodell und ein Modell für die nutzerseitige Modellierung von Scripts verschiedener Komplexitätsstufen sowie Typen entwickelt und in dem CSCL-System VI-LAB realisiert werden. Diese Arbeit leistet in zweifacher Hinsicht einen Beitrag zur Forschung im Bereich E-Learning. Zum einen beschreiben die Interaction Design Patterns wiederkehrende User Interface Lösungen und stellen somit ein Hilfsmittel für Designer, Software Entwickler und Lehrende bei der Gestaltung und Implementierung von Videolernumgebungen dar. Zum anderen wurden durch die Spezifikation und softwareseitige Umsetzung videobasierter CSCL-Scripts Voraussetzungen geschaffen, die den praktischen Einsatz und die weitere Untersuchung des kollaborativen Lernens mit Videos ermöglichen.:1 Einführung 19 1.1 Motivation 19 1.2 Herausforderungen und Forschungsfragen 20 1.2.1 Interaction Design Patterns 20 1.2.2 Videobasierte CSCL-Scripts 22 1.3 Kapitelübersicht und Forschungsmethoden 25 1.3.1 Kapitelübersicht 25 1.3.2 Forschungsmethoden je Kapitel 27 2 Lernen mit Videos 29 2.1 Terminologie, Einsatzfelder und Potentiale von Lernvideos 30 2.1.1 Begriffsbestimmung 30 2.1.2 Einsatzfelder und Szenarien für das Lernen mit Videos 32 2.1.3 Potentiale des Medium Video 34 2.2 Videos im Kontext kognitiver Lerntheorien 36 2.2.1 Theorie der kognitiven Last 36 2.2.2 Kognitive Theorie des Lernens mit Multimedia 38 2.3 Interaktivität audiovisueller Lernmedien 44 2.4 Lernformen 48 2.4.1 Rezeptives Lernen 49 2.4.2 Selbstgesteuertes Lernen 50 2.4.3 Kollaboratives Lernen 52 2.5 Zusammenfassung 56 3 Videolernumgebungen und Hypervideos 59 3.1 Terminologie und Modelle 60 3.1.1 Videolernumgebung 60 3.1.2 Terminologie: Video, Hypervideo und interaktives Video 62 3.1.3 Spezifikationen für Hypervideo-Dokumente 65 3.1.4 Modelle des zeitlichen Layouts 66 3.2 Human Video Interface 69 3.2.1 Gestaltungsraum von Hypervideos 70 3.2.2 Usability-Herausforderungen von Human Video Interfaces 74 3.3 Technische Herausforderungen 76 3.3.1 Download und Cache-Management / Echte Nicht-Linearität 77 3.3.2 Synchronisierung von Video und Annotationen 78 3.3.3 Adressierung und Abruf von Medienfragmenten 78 3.3.4 Deklarative Ansätze der Repräsentation von Multimedia 80 3.4 Produktion und Integration in Lernumgebungen 81 3.4.1 Produktion: Vorgehensweisen und Paradigmen 82 3.4.2 Integration in Lernumgebungen und Zusammenspiel mit Diensten im WWW 85 3.5 Zusammenfassung 87 4 Interaction Design Patterns für Videolernumgebungen 91 4.1 Einführung in Design Patterns 92 4.1.1 Design Patterns 95 4.1.2 Mustersprache 101 4.1.3 Verwandte Ansätze im Interaction Design 104 4.1.4 Verwandte Pattern Languages 106 4.2 Systematische Elaboration von Design Patterns 109 4.2.1 Stand der Forschung bzgldem Pattern Mining 110 4.2.2 Inhaltsanalyse von Videolernumgebungen 112 4.2.3 Analyse und Integration ähnlicher Muster bzwMustersprachen 128 4.2.4 Verfassen sowie Revision und Evaluation der Muster 130 4.2.5 Konstruktion der Pattern Language 135 4.3 Pattern Language für Videolernumgebungen 140 4.3.1 Struktur der Pattern Language 140 4.3.2 Angrenzende Mustersprachen 144 4.3.3 Repräsentation in einer Wissensbasis 145 4.3.4 Anwendungs- und Einsatzszenarien 148 4.3.5 Exemplarische Interaction Design Patterns 151 4.4 Zusammenfassung 168 5 Videobasierte CSCL-Scripts 171 5.1 Einführung 172 5.1.1 Hintergrund zu Scripts und CSCL-Scripts 172 5.1.2 Definition videobasierter CSCL-Scripts 175 5.1.3 Mehrwert und Potentiale 177 5.1.4 Typisierung videobasierter CSCL-Scripts 178 5.2 Spezifikation videobasierter CSCL-Scripts 184 5.2.1 Script-Komponenten 185 5.2.2 Script-Mechanismen 194 5.3 Modellierung von CSCL-Scripts 197 5.3.1 Komplexitätslevel 200 5.3.2 Verwandte Systeme und Ansätze zur Modellierung von Scripts 201 5.3.3 Konzept für eine formale Repräsentation 206 5.3.4 Konzept zur Modellierung im User Interface 209 5.4 Zusammenfassung 212 6 Realisierung von Patterns und Scripts 215 6.1 VI-TWO: JavaScript Framework für interaktive Videos 216 6.1.1 Anforderungen 217 6.1.2 Verwandte Arbeiten 219 6.1.3 Architektur von VI-TWO 222 6.1.4 Videoplayer 224 6.1.5 Videoannotationen 225 6.1.6 Makrointeraktivität in Kollektionen von Videos 229 6.1.7 Autorenwerkzeuge 232 6.2 VI-LAB: CSCL-System für videobasierte CSCL-Scripts 235 6.2.1 Anforderungen 236 6.2.2 Architektur von VI-LAB 238 6.2.3 Modellierung videobasierter CSCL-Scripts 241 6.2.4 Monitoring 244 6.3 Anwendungsbeispiele für VI-TWO und VI-LAB 246 6.3.1 Vi-Wiki 246 6.3.2 IWRM education 247 6.3.3 VI-LAB (Version 1) auf Basis von Wordpress 247 6.3.4 VI-LAB (Version 2) auf Basis von node.js 248 6.3.5 Theresienstadt explained 249 6.4 Zusammenfassung 252 7 Schlussbetrachtung 255 7.1 Beitrag der Arbeit zur Forschung 255 7.2 Kritische Würdigung 256 7.3 Ausblick 25