Die Lehre in der regelungstechnischen Ausbildung in ihrer klassischen Form geht von vier Lehransätzen aus:
Diese Lehransätze können teilweise in den
Bereich der rechnerunterstützten Lehre übertragen werden.
Der Rechnereinsatz bietet darüberhinaus eine Vielzahl weiterer
Möglichkeiten für die Lehre.
Die aufgelisteten Lehransätze zeichnen sich durch spezielle Eigenschaften aus, die sich den folgende Bereichen zuordnen lassen:
Die Vorlesung ist die klassische Methode, um Lehreinheiten im Hochschulbereich zu vermitteln. Der Dozent bereitet das zu vermittelnde Wissen aufgrund eigener Präferenzen auf und präsentiert es in der von ihm als richtig und wichtig erachteten Art und Weise. Dabei werden in der Regel zwei Medien eingesetzt: die Stimme des Dozenten und das Medium Schrift. Handelt es sich um allgemeine Erklärungsprobleme oder Relationen, so kann der Lernende der Stimme des Lehrenden folgen. In der Regelungstechnik und den Ingenieurwissenschaften allgemein werden jedoch eine Vielzahl von mathematischen Gleichungen, Diagramme und Tabellen eingesetzt. Diese sind in verbaler Form schlecht zu beschreiben. Insbesondere die Entwicklung und Herleitung von Verfahren anhand mathematischer Beziehungen läßt sich kaum verbal darstellen. Mit der Hilfe des Mediums Schrift wird der Dozent zum einen selbst auf eine Tafel oder eine Projektionsfläche schreiben. Zum anderen werden Folien mit vorgefertigten Gleichungen, Tabellen, Sätzen, u.s.w. präsentiert, die vor der Vorlesung angefertigt wurden. Dabei wird während der Darstellung der Lehreinheit die Stimme zur weiteren Erklärung hinzugezogen.
Die Kommunikation zwischen den Lehrenden und den Lernenden hat einen großen Einfluß auf den Erfolg einer Vorlesung, der daran zu messen ist, wie viel die Lernenden von den präsentierten Inhalten aufnehmen. Die Teilnehmer einer Vorlesung verfügen in der Regel über unterschiedliches Vorwissen. Während der Vorlesung kann der Fall eintreten, daß einzelne Zuhörer den Anschluß an das Vorgetragene verlieren, weil sie einen Teil einer Lehreinheit, der möglicherweise die Voraussetzung zum Verständnis des Folgenden bildet, nicht oder nur teilweise verstehen. Somit können Situationen eintreten, in denen einzelne Lernende keinen persönlichen Fortschritt während des Vortrags für sich erzielen können, da sie zu einem bestimmten Zeitpunkt dem Fortgang der Wissensvermittlung nicht mehr folgen konnten.
Eine Dynamik während der Lehr-Lern-Beziehung in einer Vorlesung kann nur erzielt werden, wenn bei einem Lernenden eine Frage entsteht, die der Lehrende während des Vortrags individuell beantwortet. Dabei stellt sich für die übrigen Teilnehmer die Frage nach der Relevanz des behandelten und von einem einzelnen Zuhörer formulierten Problems. Das heißt, löst die Beantwortung der gestellten Frage auch für sie ein Problem oder ergibt sich dadurch für sie eine Verzögerung des Vortrags, da ihnen das Problem hinlänglich bekannt ist.
Ferner gibt es das Zeit- und Ortsproblem. Sowohl
der Lehrende als auch die Lernenden müssen sich zu einer
bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort in einem Hörsaal
oder in einem Seminarraum einfinden.
Eine Übung wird in der Regel im Zusammenhang mit einer Vorlesung abgehalten. Es werden Beispiele zur Vertiefung und zum Verständnis des theoretischen Hintergrunds der Vorlesung vorgetragen. Dabei werden häufig die gleichen Medien wie in der Vorlesung benutzt. Die Kommunikation mit dem Vortragenden wird meist intensiver genutzt als in einer Vorlesung und der Anteil der gestellten und beantworteten Fragen ist wesentlich höher. Auch hier tritt der Fall ein, daß Lernende mit unzureichendem Vorwissen oder Verständnis der dazugehörigen Vorlesung, Schwierigkeiten mit den vorgestellten Beispielen und Übungen haben.
Die behandelten Übungsbeispiele stellen vereinfachte Problemstellungen mit idealen Voraussetzungen dar, damit eine Lösung zu einem Problem in annehmbarer Zeit und mit zumutbarem Aufwand an der Tafel oder anhand von Folien entwickelt werden kann. Den realen Voraussetzungen, wie z.B. Reibung in Lagern oder nichtlinearen Kennlinien in Maschinen, Aktoren und Sensoren, werden dabei nur in begrenztem Umfang Rechnung getragen. Dem Lernenden wird oft ein idealisiertes Abbild der Realität vermittelt.
Wie im Falle der Vorlesung ergibt sich auch für
die Übung das Problem der Zeit- und Ortsgebundenheit.
Ein Praktikum dient dazu, den in der Vorlesung
und in den Übungen behandelten Stoff durch Anwendung von
Verfahren an einem konkreten realen Versuchsaufbau oder in der
Simulation experimentell zu erproben. Regler, Funktionsgeneratoren
und Schreiber werden zum Beispiel zur Regelung, Anregung und Dokumentation
des Streckenverhaltens einer vorgegebenen Laboranlage eingesetzt.
Aufgrund der meist geringen Anzahl von Versuchsplätzen werden
die Praktika in Kleingruppen durchgeführt, so daß auch
hier wieder die problematische Situation entsteht, daß einzelne
Teilnehmer über durchaus unterschiedliches Vorwissen verfügen.
Dementsprechend kann die Durchführung eines Versuchs individuell
verschieden wahrgenommen werden, das heißt, als zu schnell
oder unnötig langsam empfunden werden. Auch im Praktikum
kann das Problem der Anpassung von Vorwissen und Lehrangebot somit
nicht vollständig gelöst werden.
Bücher und Artikel
beschränken sich bei der Präsentation von Lehreinheiten
weitgehend auf das gedruckte Wort und auf Fotos oder schematische
Abbildungen. Die Flexibilität während des Lernens geht
dabei allerdings über die der Vorlesung und Übung hinaus.
Anhand des Inhaltsverzeichnisses, des Indexes oder durch Blättern
kann zwischen den Lehreinheiten gewechselt werden. Dabei bestimmt
der Lernende selbständig, welche Kapitel er bearbeitet. Im
Vergleich zu den oben beschriebenen Vermittlungsformen bietet
die selbständige Arbeit mit dem Buch einem Lernenden eine
Reihe von Vorteilen. Er kann gezielt auf die Lehreinheit in einem
Buch zugreifen, die ihn interessiert oder die er als besonders
wichtig ansieht. Das vor oder nach dieser Lehreinheit gedruckte
Wissen muß nicht unbedingt mit durchgearbeitet werden, es
sei denn, es bildet die Voraussetzung zum Verständnis der
vorliegenden Lehreinheit. Das Problem des unterschiedlichen Vorwissens
wird in einem Buch teilweise gelöst. In der Regel gibt es
einleitende Kapitel anhand derer der Lernende feststellen kann,
ob die vorliegende Lerneinheit von ihm verstanden werden kann.
Ferner kann der Lernende mit großem Vorwissen Lerneinheiten
teilweise oder ganz überspringen, wenn ihm Inhalte bereits
vertraut vorkommen.
Bild 2.1: Flexibilität
von Lehrmethoden. Quelle: Bodendorf (1990), Seite 39 Handbuch
der Informatik, Bd. 15.1)(Auszug)
Bild 2.1 zeigt die Gewichtung der verschiedenen Lehrmethoden
bezüglich der Faktoren Interaktion und Individualität.
Die Lehrmethoden Lehrgespräch und Privatlehrer
besitzen ein Höchstmaß an Nutzen für den Lernenden,
da es sich hierbei um eine 1-zu-1 (one-to-one) Situation handelt,
in der individuell auf den Lernenden reagiert wird. Systeme der
rechnerunterstützten Lehre (Computer Based Training,
CBT) versuchen, die statische Form eines Buches in ein Programm
zu übertragen und durch Multiple-Choice Fragen das
behandelte Wissen abzufragen. Rechnerunterstützte Ausbildung
(Computer Aided Instruction, CAI) verfolgt das Ziel,
durch die Integration eines Expertenmoduls und die Generierung
von individuellen Lehreinheiten auf das Wissen und die Lernfähigkeit
des Lernenden individuell einzugehen.
Zusammengefaßt besitzen die oben genannten konventionellen Lehrmethoden folgende Nachteile:
Die drei ersten in Kapitel 2.1 genannten Lehrformen:
Vorlesung, Übung und Praktikum besitzen eine Reihe von gemeinsamen
Eigenschaften. Sie sind zeit- und ortsgebunden, und es handelt
sich grundsätzlich um Veranstaltungen mit einem Lehrenden
und mehreren Lernenden, siehe dazu Bild 2.2.
Bild 2.2: Lehr-Lern-Situation
in den klassischen drei Lehrformen: Vorlesung, Übung und
Praktikum.
Die rechnerunterstützten Lehr- und Lernumgebungen
versuchen, den Lehrenden zu ersetzen und so eine Situation ähnlich
von Lehrgesprächen oder Privatlehrern aufzubauen.
Aufgrund der offensichtlichen Komplexität einer solchen Lehrumgebung
wird dies heute nur in Ansätzen realisiert. Die im Folgenden
aufgeführten Kategorien von Lernumgebungen mit Rechnerunterstützung
orientieren sich an den in [Bod90], [Bod93], [Lus92] und [Sen92]
vorgeschlagenen Unterteilungen.
Hilfesysteme, auch Erklärungssysteme oder online Hilfen genannt, sind die einfachste Form des Computer unterstützten Lernens. Der Lernende sucht anhand von Stichwörtern aus einer alphabetisch oder thematisch sortierten Liste, das ihn interessierende Problem heraus. Daran anschließend präsentiert das System eine für dieses Problem vorgesehene Information. Diese sogenannte "passive Hilfe" wird von den meisten fensterorientierten Programmen der unterschiedlichsten Betriebssysteme angeboten.
Aktive Hilfesysteme bieten
als Lösung eines Problems einen Lösungspfad an, der
in der Regel systematisch abgearbeitet werden kann. Die Windows95
Assistenten sind ein Beispiel für ein derartiges System.
Übungs- und Testsysteme dienen dazu, bereits
vorhandenes Wissen zu überprüfen und zu festigen. Diese
Methode wird oft als "Drill-and-Practice-Method" bezeichnet.
Vokabellernprogramme sind hierfür ein Beispiel. Auf eine
eindeutige Frage ist eine eindeutige Antwort möglich. Durch
ein mehrmaliges Durchlaufen des Fragekatalogs, in zum Teil variierender
Fragereihenfolge, wird so das Wissen gefestigt. Für das gezielte
Lernen von komplexen Themen sind diese Systeme aufgrund ihrer
Unflexibilität ungeeignet.
Ähnlich wie bei den beschriebenen Übungs- und Testsystemen wird dem Lernenden auch bei tutoriellen Systemen zunächst eine Lehreinheit präsentiert, die das betrachtete Problem oder den Wissensbereich erläutert. Nach dieser Konsumierungsphase werden im zweiten Teil "Multiple-Choice" Fragen gestellt, die prüfen, ob das Lernziel erreicht worden ist. Die korrekte Beantwortung einer Frage führt den Lernenden automatisch zum nächsten Problem. Eine falsch beantwortete Frage führt zu zwei Möglichkeiten für eine nachfolgende Reaktion. Das CBT-Programm verzweigt entweder sofort wieder zur Frage und gestattet dem Lernenden eine alternative Auswahl der Antwort. Dies kann dazu führen, daß der Lernende mit großer Wahrscheinlichkeit durch "Trial-and-Error" zur korrekten Anwort gelangen wird. Die zweite Möglichkeit besteht darin, eine weitere erklärende Lehreinheit anzubieten, nach deren Abarbeitung erneut die gleiche Frage gestellt wird, siehe dazu Bild 2.3.
In der Regel muß das Lehrmaterial in einer
festgelegten, invariablen Reihenfolge abgearbeitet werden. Das
bereits vorhandene Wissen des Lernenden und die in einer vorherigen
Sitzung bereits bearbeiteten Lehreinheiten sind nicht mit der
Lehrabfolge gekoppelt.
Bild 2.3: Lehreinheiten-Frage-Kette
in CBT-Programmen.
Das Hauptziel von Simulationssystemen ist es, dem
Lernenden ein Modell der betrachteten Problemstellung zur Verfügung
zu stellen, das über eine Anzahl von Parametern beeinflußbar
ist. Die mathematischen und physikalischen Beschreibungen des
Systems sind dem Lernenden nicht bekannt und im System verborgen.
Vielmehr wird nur die nach außen dringende Information eines
Modells, z.B. Spannungen, Ströme, Positionen, Geschwindigkeiten,
u.s.w. dargestellt. Der Lernende kann durch Variation der Parameter
und der daraus resultierenden Änderungen der Modellausgänge
erkennen, wie sich das Modell und damit das betrachtete reale
System verhalten. Das Verständnis des Modells wird in diesem
Fall nicht durch mathematische Analyse sondern durch individuelle
Erfahrung während der Simulationen erreicht. Andere Bezeichnungen
für diesen Typ von Lehrumgebung sind Experimentiersysteme,
Mikrowelten (Virtual Reality) und Trainingssysteme. Das auf MATLAB
aufgesetzte SIMULINK enthält viele dieser Ansätze.
Spielsysteme sind den simulationsbasierten Systemen
sehr ähnlich. Auch hier wird ein reales System mit Hilfe
eines abstrakten Modells dargestellt. Der primäre Unterschied
besteht darin, daß mehrere Benutzer oder Rechner mit dem
System interagieren. Das Resultat des Spiels (oder der Simulation)
ist also nicht von einem einzigen Benutzer abhängig. Die
entstehenden Situationen werden in der Regel sehr komplex und
nicht vorhersehbar, da das System gewissermaßen mit mehreren
chaotischen Freiheitsgraden arbeiten muß. Reproduktion und
Analyse von solchen Spielverläufen sind sehr problematisch,
da stets die Reaktionen von allen Teilnehmern berücksichtigt
werden müssen. Dies macht Spielsysteme zu sehr realen Lernsystemen
für das betrachtete Problem.
Expertensysteme oder auch Problemlösungssysteme
sind nicht im eigentlichen Sinne Lernprogramme. Das Wissen über
ein vorgegebenes Problem wird vor dem Lernenden, oder hier besser
Benutzer, sozusagen "versteckt". Durch geschickte Fragen
strebt das System eine Lösung eines zuvor beschriebenen Problems
an. Dabei versucht es, viele nützliche Informationen über
das Problem von dem Benutzer zu erfahren, um ein optimale Problemlösung
selbsttätig, also auf der Grundlage des programmierten Expertenwissens,
zu generieren.
Wie oben gezeigt, präsentieren CBT-Programme
Lehreinheiten in einer starren Abfolge. Für den Lernenden
bedeutet dies, daß er den vorgegebenen Weg durch die Lehreinheiten
nicht entsprechend seiner persönlichen Bedürfnisse variieren
kann. Intelligente Tutorielle Systeme (ITS) versuchen nun, anhand
der richtig und falsch beantworteten Fragen des Lernenden auf
dessen Wissen zu schließen. Hat der Lernende bereits Testfragen
zu einem übergeordneten Problem richtig beantwortet, so werden
entsprechende Grundlagen zu diesem Bereich nicht mehr behandelt
und als bekannt vorausgesetzt. Das System entwickelt dabei ein
Modell des Lernenden. Zur Sequenzierung des Wissens werden alle
Fragen mit einer Art klassifiziertem Grundlagenwissen verknüpft.
Das heißt, daß die Grundlage zur richtigen Beantwortung
einer Frage immer die Kenntnis des zugrundeliegenden Wissens ist.
Dieses Wissen kann entweder aus nur einem oder auch aus mehreren
Wissensbereichen stammen. So wird bei dem Entwurf eines Reglers
häufig Grundlagenwissen notwendig sein, daß auch für
andere Wissensbereiche Voraussetzung ist und bereits erlernt wurde.
In einem CBT-Programm würde an dieser Stelle das komplette
Wissen inklusive der Grundlagen präsentiert und so wahrscheinlich
zur Frustration des Lernenden führen. Einige Implementierungen
von intelligenten tutoriellen Systemen befinden sich in [Zek94],
[Sen92] und [Mor94].
Hypertextsysteme, wie das World Wide Web (WWW), ermöglichen die Darstellung und Verknüpfung von Lehreinheiten unter Einbeziehung vieler multimedialer Elemente. Dabei werden die Informationen in viele einzelne Einheiten (Dateien) aufgeteilt und beliebig auf verschiedenen Servern im Internet verteilt, die sich an unterschiedlichen geographischen Orten befinden können. Prinzipiell entsteht allein durch die Verknüpfung von Lehrinhalten ein Lehrsystem, da der Benutzer durch die eigene Auswahl der Verknüpfungen ("Links") den Inhalt und vor allem die Abfolge der Informationen bestimmt. Die Aktionen des Hypertextsystems sind hinter sogenannten "Hot-Spots", siehe [Zek94], verborgen. Dies können markierte (farbige und unterstrichene) Wörter oder Satzteile oder Grafiken, bzw. Teile einer Grafik sein. Daneben gibt es Knöpfe ("buttons") sowie Schieber ("slider"), Auswahlmenüs, Auswahllisten, Formulare, u.s.w.. Alle diese Elemente können miteinander verknüpft sein und liefern nach Auswahl unterschiedliche Informationen. Die Präsentation der Information erfolgt dabei in einer "nicht-linearen" Informationsstruktur, das heißt, daß es für jedes einzelne Dokument keinen unmittelbaren Vorgänger und Nachfolger gibt. Die einzelnen Informationen sind, wie bereits erwähnt, vielmehr miteinander vernetzt und voneinander abhängig. Der entscheidende Nachteil für regelungstechnische Anwendungen liegt auch bei Hypertextsystemen darin, daß regelungstechnische Werkzeuge zur Anwendung von Verfahren bisher nicht mit kommerziell erhältlichen Systemen verbunden werden können.
Bild 2.4 zeigt beispielhaft drei Dateien aus der entwickelten VCLab-Umgebung, die durch unterschiedliche Links miteinander und mit anderen nicht aufgeführten Dateien verknüpft sind.
Bild 2.4: Beispiel einer
Hypertextstruktur.
Die betrachteten rechnerunterstützten Lehr-
und Lernsysteme versuchen, die Formen der klassischen Lehrmethoden
auf unterschiedliche Weise mit jeweils anderen Schwerpunkten nachzubilden.
Aufgrund der enormen Komplexität des regelungstechnischen
Wissens können sie jedoch nur einige kleine ausgewählte
Bereiche exemplarisch darstellen.
Der in Bild 2.5 dargestellte Zusammenhang zwischen der Lerninitiative und der Flexibilität der verwendeten Lehrsysteme zeigt große Unterschiede zwischen den Systemen.
Eine Analyse der betrachteten verfügbaren Lernumgebungen
zeigt, daß, mit Ausnahme der online Hilfen, alle Programme
vollständig geschlossen sind. Das bedeutet, daß die
visuelle Umgebung, die betrachteten Lehrinhalte, die verwendeten
Animationen und Simulationen und alle übrigen Beiträge
in diesen Lehrsystemen entweder vollständig in einer höheren
Programmiersprache oder von einem dazugehörigen Autorensystem
generiert werden. In keinem Fall werden die zur Verfügung
stehenden regelungstechnischen Programmsysteme zur Berechnung,
Simulation oder Visualisierung eingesetzt. Der Entwurfsaufwand
für einfache CBT-Systeme ist recht gering, allerdings steigt
die für eine komplexe Simulation benötigte Zeit zur
Codierung der mathematischen Beschreibung extrem an. Berechnungen
gehen davon aus, daß heute für eine Stunde vollständig
rechnerunterstützten Unterrichts etwa 200 Stunden für
der Erstellung der Lehrinhalte benötigt werden.
Das Projekt TeleTeaching der Universitäten Heidelberg und Mannheim
Die Universitäten Heidelberg und Mannheim liegen
geographisch nahe zusammen und bieten Studiengänge mit unterschiedlichen
Schwerpunkten an. Beide Hochschulen haben ein Abkommen geschlossen,
daß bestimmte Vorlesungen im Bereich der Informatik und
Physik von der einen Universität der jeweils anderen per
Teleteaching zur Verfügung gestellt werden. Bild 2.6 zeigt
die eingesetzte Technik und die Topologie der verwendeten Lehrumgebung.
Es handelt sich hierbei um ein Videoübertragungssystem, bei
dem der Lehrende und die Lernenden Möglichkeiten zur Kommunikation
über Bild und Ton haben. Ein Unterschied zur klassischen
Vorlesung besteht in der im Bild dargestellten Situation nur für
die Studenten in Heidelberg, die den Lehrenden auf einer Videoprojektionswand
sehen.
Zur Erweiterung und Ergänzung der Vorlesung werden auf einem zentralen WWW-Server die Vorlesungsinhalte als HTML-Dokumente, Simulationen mit Java-Applets oder als komprimierte PostScript-Dateien bereitgestellt.
Weitere Informationen unter: http://www.informatik.uni-mannheim.de/
informatik/pi4/projects/teleTeaching/
Projekt Teleteaching Dresden-Freiberg
In Kooperation mit den Fakultäten Informatik, Wirtschaftsinformatik und Psychologie der TU Dresden sowie der Fakultät Informatik der TU Bergakademie Freiberg werden im Projekt "Teleteaching Dresden-Freiberg" über Videokonferenzen und das World Wide Web Lehrveranstaltungen abgehalten. Die multimediale Verteilung der Vorlesungen erfolgt über das Videokonferenzsystem MMC (Multimedia Collaboration) der Firma BERCOM. Zur Darstellung an der jeweils anderen Hochschule werden Großbildschirme eingesetzt.
Weitere Informationen unter: http://wwwrn.inf.tu-dresden.de/telet/
An der Carnegie Mellon University und der University of Michigan wurde im Rahmen einiger Projekte ein Tutorial auf der Basis des WWW erstellt. Neben der üblichen Darstellung von Bildern und der Hypertextverknüpfung versuchten die Autoren, dadurch daß sie MATLAB-Anweisungen auf den einzelnen HTML-Seiten angaben, die Lernenden zu ermutigen, diese mit dem Copy und Paste Verfahren des jeweiligen zugrundeliegenden Betriebssystems in den Workspace einer lokalen MATLAB Installation zu kopieren und auszuführen. Dadurch soll sowohl das Verständnis für regelungstechnische Problemstellungen allgemein, als auch für MATLAB als regelungstechnischem Werkzeug vermittelt werden.
Bild 2.7 zeigt einen Ausschnitt des "Control
Tutorial for MATLAB". Die abgebildeten Gleichungen wurden
als "Inline"-Bilder eingebunden. Der Aufwand zur Erstellung
dieser Gleichungen ist sehr hoch, da für jede einzelne Gleichung
eine separate Grafikdatei erzeugt werden muß. In der in
dieser Arbeit entwickelten Lehrumgebung wird das Problem der Gleichungsdarstellung
im WWW analysiert und mit Hilfe eines Java-Applets gelöst,
siehe dazu Kapitel 4.2.
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Weitere Informationen unter: http://www.engin.umich.edu/group/ctm/index.html
Virtuelles Labor an der Carnegie Mellon University, USA
In dem an der Carnegie Mellon University vorgestellten
virtuellen Labor werden an einem Praktikumsarbeitsplatz Geräte
wie z.B. Multimeter, Oszilloskope und eine Kamera mit einem lokalen
Rechner verbunden, der die aufgenommenen Bilder und gemessenen
Daten über das Universitätsnetz zu anderen Rechnern
übertragen kann. Die Meßgeräte und Funktionsgeneratoren
können dabei fernbedient werden. Die Vorgehensweise während
eines Praktikums ist so, daß die Studenten zunächst
einzelne Versuche während der Öffnungszeiten der Praktikumsräume
verkabeln. Danach können sie von ihren Zimmern in den Studentenwohnheimen
der Universität zu jeder beliebigen Tages- und auch Nachtzeit
weitere Messungen an den aufgebauten elektronischen Schaltungen
durchführen (Bild 2.8). Die Kommunikation und Bedienung der
Geräte und Versuche erfolgt mit speziellen Programmen.
Weitere Informationen unter: http://www.ece.cmu.edu/afs/ece/usr/stancil/
web/virtual-lab/virtual-lab.html
Oregon State University control engineering laboratory, USA
In der von [BCB96] an der Oregon State University entwickelten Umgebung können Studenten über das Internet mit spezieller Software regelungstechnische Versuche ausführen. Dabei werden die von einer Kamera gelieferten Videobilder und die Umgebungsgeräusche der entsprechenden Versuchsanlage erfaßt. Diese Daten und weitere Steuerungsdaten werden anschließend zum Benutzer übertragen (Bild 2.9).
Die Studenten können an einem Client-Rechner den Roboter sehen und hören. Steuerungsprogramme und Regler werden mit Hilfe des abgebildeten SUN-Rechners gestartet und gestoppt. Die eingesetzte Software wurde speziell für dieses Projekt angefertigt und benötigt die hohe Rechenkapazität der eingesetzten Workstations und der angeschlossenen schnellen Netzwerke.
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University of Oregon Virtual Laboratory
An der University of Oregon wurden eine Reihe von
Java-Applets entwickelt, die es ermöglichen, spezielle Probleme,
so z.B. die in Bild 2.10 abgebildete einfache Schaltung eines
elektrischen Stromkreises, zu simulieren. Daneben wurden weitere
Simulatoren entwickelt, die sich mit grundlegenden Problemen der
Bewegung von Körpern, thermodynamischen Problemen und statistischen
Anwendungen befassen.
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Weitere Informationen unter: http://jersey.uoregon.edu/vlab/
Der Einsatz von Autorensystemen für die betrachteten Anwendungen und insbesondere für das WWW ist bislang nur in rudimentären Ansätzen gelungen. Ist es bei den Teleteaching Anwendungen noch möglich, auf klassische Elemente wie Tafel, Folien und Dias zurückzugreifen, so müssen bei dem Einsatz von rechnerunterstützten Lehrverfahren spezielle Entwurfswerkzeuge eingesetzt werden. Die Autorensysteme für CBT-Systeme sind in der Regel ausgereifte, grafikunterstützte Systeme, die ein Höchstmaß an Flexibilität ermöglichen. Allerdings sind sie auch nur für genau ein CBT-System einsetzbar. Für ein spezielles intelligentes tutorielles System wurde von [Zek94] ein grafisches Entwurfsverfahren vorgeschlagen, das jedoch auch nur für die dort eingesetzte Softwareumgebung geeignet ist.
Eine gibt eine Vielzahl von Entwurfswerkzeugen, die
für auf dem WWW basierende Hypertext Tutorials geeignet sind.
Die in [BEO96] und [Bei96] erfolgte Aufstellung neuerer Werkzeuge
zeigt große Qualitätsunterschiede zwischen der Funktionsvielfalt
und der Stärke der vorgestellten Programme. So unterstützen
einige Programme den Autor nur bei der Befehlsauswahl und liefern
dazu den HTML-Code der betreffenden Seite. Professionellere Lösungen
dagegen wählen den WYSIWYG- (What You See Is What You Get)
Weg der gängigen Textverarbeitungssysteme und verbergen den
HTML-Code vor dem Autor. Letzteres ist sicherlich der ideale Weg
des Entwurfs, allerdings kann so der Einsatz von JavaScript, Java-Applets
und Plugins, wie im nächsten Kapitel, bislang nicht ausreichend
unterstützt werden.
Nach der Betrachtung und Diskussion der klassischen Lehrmethoden und den bisher bekannten Anwendungen in der rechnerunterstützten Lehre ergeben sich für ein regelungstechnisches Lehrsystem eine Reihe von Anforderungen:
In der vorliegenden Arbeit werden die Grundelemente eines Lehrsystems auf der Grundlage des WWW erstellt. Dieses Vorhaben wurde dadurch erleichtert, daß einige der oben genannten Anforderungen bereits von der Struktur und dem Aufbau des WWW erfüllt werden. So ist durch die Hypertextstruktur bereits eine Strukturierung vorgegeben, die es erlaubt, Informationseinheiten in beliebig kleine Einheiten zu unterteilen. Die Anpassung an die individuelle Lerngeschwindigkeit der einzelnen Lernenden ist ebenfalls gegeben, da eine Webseite beliebig lange betrachtet werden kann, bevor zur nächsten Information übergegangen wird. Auch die Forderung nach der Orts- und Zeitunabhängigkeit kann als erfüllt betrachtet werden, wenn das Lehrmaterial auf einem Server bereitgehalten wird, der ständig mit dem Internet verbunden ist. Die Lernenden benötigen so nur noch einen entsprechend konfigurierten Rechner und einen Zugang zum Internet.
Entsprechend der thematischen Vorgabe wurde während dieser Arbeit der Prototyp eines rechnerunterstützten Lehrsystems entwickelt, das auf dem WWW aufsetzt und einen gängigen Web-Browser (Netscape Navigator von Netscape Inc. in den Versionen ab 3.0) zur Visualisierung einsetzt. Da ein thematischer Schwerpunkt der regelungstechnischen Ausbildung in der Analyse und Synthese von Systemen und Reglern liegt, wurde ein System mit offenen Schnittstellen als "virtuelles regelungstechnisches Labor" (Virtual Control Lab, VCLab) entwickelt, das zur Berechnung und Simulation von regelungstechnischen Problemstellungen das bekannte und vielfach eingesetzte Programmpaket MATLAB/SIMULINK benutzt.