Interactive simulation and visualisation for the computerised biochemistry

Die moderne Biochemie ist eine Wissenschaft, die sich im Wandel befindet. Während die bisherige Forschung sehr stark experimentell geprägt ist, existiert eine theoretische Biologie, analog zur theoretischen Chemie, nur in Ansätzen. Trotzdem wandelt sich auch diese Wissenschaft hin zu einer stärkeren Einbindung theoretischer Ansätze. Der Grund hierfür liegt in der Betrachtung von zunehmend komplexeren Systemen. So beschäftigt man sich in der Systembiologie, einem Teilbereich der Biochemie, unter anderem mit der Aufklärung komplexer Reaktionsnetzwerke. Während Ausschnitte dieser Netzwerke weiterhin experimentell aufgeklärt und verstanden werden, lässt sich das zusammenhängende Bild zunehmend nur noch durch eine theoretisch geprägte Modellbildung fassen. Darüber hinaus zeigen neuere Forschungsergebnisse die Bedeutung der Tatsache, dass Moleküle, Zellen und Zellhaufen, also wichtige Forschungsubjekte der Biochmie, dreidimensionale Gebilde sind – eine Tatsache, die bei der Modellbildung berücksichtigt werden muss. Eine Antwort auf die genannten Herausforderungen ist der konzertierte Einsatz von Simulation und Visualisierung als Mittel des Erkenntnisgewinns. Damit ist die Informatik gefordert entsprechende dedizierte Werkzeuge zu entwickeln, die Simulation, Visualisierung und Interaktion im Kontext des von der Anwendungsdisziplin gesetzten räumlich-zeitlichen Problemkreises miteinander verbinden. In dieser Arbeit wird ein integriertes Konzept zu Simulation, Interaktivität und Visualisierung vorgelegt, das auf einer Anforderungsanalyse in Bezug auf Anforderungen an die Simulation und Anforderungen an die Interaktivität und Visualisierung basiert. Zur Lösung der aufgeworfenen Probleme wird ein „Baukastensystem“ auf Basis von Multi-Agenten-Systemen vorgeschlagen. Die Auswahl des geeigneten Simulationsverfahrens, z. B. die Auswahl eines stochastischen Verfahrens gegenüber einem deterministischen Verfahrens, wird so zur Auswahl eines Bausteins, wobei gezeigt wird, wie z. B. mit Hilfe von Regeln die Auswahl auch automatisiert werden kann. Ebenso wird gezeigt, wie man „Baussteine“ auch im räumlichen Sinne verstehen kann, als Dinge, die in einem dreidimensionalen Kontext einen bestimmten Raum einnehmen und die, in ihrer Gesamtheit betrachtet, den Beobachtungsraum der Simulation ausfüllen. Diese Bausteine finden sich entsprechend ebenfalls im Kontext der Interaktion wieder. Ein wichtiger Aspekt in diesem Baukastenkonzept ist die Frage der Kommunikationsstruktur und des Kommunikationsprotokolls, für den ein Vorschlag erarbeitet wird. Das entwickelte Gesamtkonzept besteht aus zwei Teilen: Einem Konzept für Ein- und Ausgabegeräte mit einer gemeinsamen Metapher, die die Geräte logisch in den Anwendungskontext einbettet und einem Simulations- und Visualisierungskonzept auf der Basis der Kopplung heterogener intelligenter Agenten in eine gemeinsame Simulationsumgebung. Hierfür wurde ein spezieller Dialekt einer Agentenkommunikationssprache entwickelt, der dabei insbesondere den Aspekt der dreidimensionalen Visualierung einer solchen Simulation berücksichtigt.Modern biochemistry is a science is changing rapidly. While traditional research in this field is characterised by experimental studies, there is a growing interest in the inclusion computerised, model and simulation based methodologies. Although the objects of research are three dimensional entities, like molecules, cells etc. and a number of phenomena within these entities are identified as three dimensional, many models used nowadays abstract from this three-dimensionality. This is, at least to a significant part, due to the lack of dedicated visualisation and simulation tools. This thesis presents an integrated concept for the interactive simulation and visualisation in the biochemistry domain of molecular modelling, systems biology and multi-cellular structures which is based on a thorough requirements analysis. The concept consists of a modular system based on multi-agent methodologies. It is shown how this system can be used to couple heterogeneous simulation models and how three-dimensional structures can be represented in a modular way. These modular building blocks are revisited in the context of the inteactive visulisation of simulation studies. The concept is based on a newly developed agent communication language dialect. The implementation of the concept is twofold: a new I/O device, the virtual glove box, allowes for an intuitive approach to the simulation infrastructure, while several integrated software systems built on the communication structure provide a suited simulation and visualisation infrastructure wich caters for the needs of simulating three-dimensional phenomena

Web-basierte Atlanten als Instrumente zur Lösung raumbezogener Problemstellungen. Ein generisches Informationsmodell als semantische Brücke zwischen Daten und Diensten

Die Arbeit beschreibt Konzeption, Entwicklung, Aufbau und Betrieb eines generischen Informationsmodells in der Verwaltung der Stadt Köln. Das Modell ist praxiserprobt und in der Fachwelt bekannt. Einige Komponenten beginnen, sich als Standard für Geoinformationssysteme durchzusetzen. In seiner Gesamtheit ist das Modell einzigartig. Über Lizenzen findet es Verbreitung in Städten und Unternehmen. Teile waren immer wieder Richtungsgeber und Schrittmacher der technologischen Entwicklung. Der Verfasser, nach Konzeption, Entwicklung und Aufbau des Modells nun mit den nicht minder schwierigen Alltäglichkeiten des Betriebs befasst, schaut visionär voraus. Er sieht zusätzlich zur technischen Weiterentwicklung die Öffnung des bisher verwaltungsinternen Informationsmodells nach außen als erstrebenswert an. Informationsbeteiligung wäre nicht nur ein auch politikwirksames Zeichen modernen Verwaltungsmanagements, sondern sicherlich auch ein willkommener Beitrag zur wohlverstandenen Informationsgesellschaft. Ein generisches Informationsmodell kann flexibel auf raumbezogene Informations-wünsche reagieren. Allein Geodaten reichen dazu aber nicht aus; sie sind um Sach-daten aus den Verwaltungsverfahren zu ergänzen. Erst dadurch ist es möglich, die umfangreichen Datenschätze einer Kommunalverwaltung in Werte umzusetzen und für vielfältige geographische Fragestellungen zu nutzen. Als Grundlage des als Semantic Data Dictionary bezeichneten Informationsmodells war ein raumbezogenes Data Warehouse zu konzipieren, zu realisieren und aufzu-bauen. Das Besondere daran ist die Verbindung eines Spatial Data Warehouse mit einem Business Data Warehouse. Das bedeutet nicht nur die Verknüpfung von Geo- und Sachdaten für Raumanalysen, sondern auch die Zusammenführung komplexer Wertschöpfungsprozesse für eine integrierte Informationsproduktion. Der Nutzer hat dadurch Zugriff auf laufend aktuelle Sachdaten für beliebige räumliche Strukturen. Die aus unterschiedlichen Quellen zusammengeführten und verdichteten Informationen werden auf der Basis einer modernen IT-Architektur als raum-bezogene Dienste im Sinne von Spatial Business Intelligence bereitgestellt. Das dahinter stehende Content Management System ermöglicht den Aufbau und die Pflege von raumbezogenen Diensten, aber auch die schnelle Reaktion auf neue Informationszusammenstellungen und unterstützt dabei Verfahren zur Informations-gewinnung. Die als Web Services angebotenen Atlanten ermöglichen dem Nutzer unterschiedliche Sichten auf Struktur, Inhalt, Funktionalität und Sprache und damit eine neue Dimension sachbezogener Raumanalysen. Am Beispiel ausgewählter Indikatoren wird der gesamte innovative Produktions-prozess von den Verwaltungsdaten über die Datenmodellierung im Data Warehouse und die Informationsmodellierung bis zu interaktiven Atlanten im Web aufgezeigt. Dazu werden Sachdaten aus unterschiedlichen Quellen kleinräumig aufbereitet und analysiert. Die Grundlagendaten und die daraus abgeleiteten Ergebnisse sind in verschiedenen Planungsatlanten nutzbar. Dieses Wertschöpfungsnetzwerk ist auf andere raumbezogene Problemstellungen übertragbar

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

Kultivation und Imagination in den neuen Medien

Imagination, cultivation, HCI, Human-Computer Interaction, development, website, case study, interaction, interface, identityMagdeburg, Univ., Fak. für Geistes-, Sozial- und Erziehungswiss., Diss., 2001von Henning BreuerTitel in den Metadaten auch: Imagination und Kultivation in der Mensch-Computer Interaktio

Mensch-Computer-Interface: Zur Geschichte und Zukunft der Computerbedienung

Die gegenwärtige Interface-Krise bei digitalen Medien nehmen Informatiker und Informatikhistoriker in diesem Band zum Anlass für eine Langzeitbilanz der Mensch-Computer-Interaktion. Sie legen sowohl Gesamtüberblicke der Entwicklung aus technik- und geistesgeschichtlicher Sicht vor als auch spezielle Studien zur Bedienproblematik einzelner Epochen. Dadurch entsteht ein großer Bogen von den Bedienschnittstellen der frühen Mainframe-Welt über die interaktiven PC-Interfaces bis zu den neuesten Entwicklungen des Wearable Computing und der proaktiven Ambient Intelligence. Die historisch-genetischen Analysen münden in theoretische Betrachtungen und kritische Rückblicke auf die Forschung zu Mensch-Computer-Interfaces sowie Ausblicke auf die Zukunft

Entwicklung eines mediendidaktischen Konzepts zur Erstellung eines internetgestützten Lernprogramms über Struktur und Funktion der Orchideenmykorrhiza – Fachwissenschaftliche Analyse, didaktische Aufbereitung und mediale Umsetzung

Die biologiedidaktische Dissertation befasst sich in erster Linie mit der Struktur und Funktion der Orchideenmykorrhiza, d.h. mit dem symbiotischen Zusammenleben zwischen Orchideenwurzeln und Pilzen. Nachdem die Bedeutung des Online-Lernens vor allem im Hochschulbereich stark zunimmt und didaktisch ausgereifte Lernangebote fehlen, wird versucht, ausgehend von einem mediendidaktischem Konzept, die komplexe Thematik mit Hilfe eines internetgestützten Lernprogramms mit dem Namen "Orchideenmykorrhiza-Online" zu visualisieren. Hierbei wird geprüft, ob durch die Berücksichtigung mediendidaktischer und softwareergonomischer Gestaltungsrichtlinien Lernprozesse via Internet optimiert werden können. Die wissenschaftliche Abhandlung ist in drei Teilbereiche gegliedert. Im ersten Abschnitt erfolgt ein detaillierter Überblick über den aktuellen Forschungsstand der Orchideenmykorrhiza als wichtige Voraussetzung für eine Online-Präsentation. Die darauf folgende mediendidaktische Analyse enthält wichtige Aspekte für die Umsetzung von Darstellungsformen wie Text, Bild und Animation sowie Gestaltungskriterien für eine Realisierung von Interaktions-formen (z. B. Navigation) im Internet. Der dritte Teil beschäftigt sich schließlich mit der Konzeption, Umsetzung und Evaluation von "Orchideenmykorrhiza-Online"