Webbasierte, simulationsorientierte E-Learning-Kurse für den Entwurf von Schaltungen und Mikrosystemen

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1 Webbasierte, simulationsorientierte E-Learning-Kurse für den Entwurf von Schaltungen und Mikrosystemen André Schneider, Roland Jancke, Günter Elst Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, Außenstelle Entwurfsautomatisierung EAS Zeunerstraße 38, Dresden Kurzfassung Internet-basierte Aus- und Weiterbildungsmethoden eröffnen gute Chancen zur Vermittlung von Spezialwissen und von neuem Wissen, das zur Beherrschung des Entwurfs von Schaltungen, elektrischen Systemen und von Mikrosystemen benötigt wird. Multimediale Lernpakete sind auch hervorragend geeignet für das Verständnis der Funktionsweise komplexer Systeme. Die Anwendung von Werkzeugen, speziell von Simulatoren ist ein integraler Bestandteil der Wissensvermittlung und des Trainings im Rahmen solcher E-Learning-Kurse. Lernpakete für die betriebliche Weiterbildung vermitteln spezifisches Wissen durchweg interaktiv und handlungsorientiert, angelehnt an die Arbeits- bzw. Entwicklungsabläufe in den Firmen. In der geplanten Demonstration werden an Hand von drei Beispielen typische Szenarien vorgestellt, die als zentralen Bestandteil die Nutzung von Simulatoren enthalten. 1 Einleitung In der universitären Ausbildung und in der beruflichen Weiterbildung von Ingenieuren werden zunehmend neue Methoden eingesetzt, die sich multimedialer Medien sowie dem Internet bzw. Intranet bedienen und unter dem Begriff E-Learning bekannt sind. Das enorme Tempo technischer Entwicklungen (z. B. in Mikroelektronik und Informatik) und der dazugehörigen Entwurfsmethodik bewirkt, dass sich Hochschulen und Universitäten zunehmend auf die Vermittlung der wesentlichsten Grundkenntnisse konzentrieren, während schnelllebige Kenntnisse und Fähigkeiten in begleitenden Kursen vermittelt werden müssen, die schließlich auch der berufsbegleitenden Weiterbildung dienen. Die E-Learning-Kurse werden als eine wesentliche Ergänzung zu den klassischen Methoden der Wissenserweiterung gesehen, ohne diese verdrängen zu wollen [2], [11], [12]. In der Demonstration werden einige Weiterbildungsaktivitäten vorgestellt und die Rolle der Interaktionen mit einem Simulator besonders diskutiert. Es handelt sich dabei um Beispiele aus folgenden drei Bereichen: Nachrichtentechnik: Modellierung und Simulation von Hochfrequenzsystemen mit Hilfe der Modellierungssprache VHDL-AMS; Entwurfsmethodik: Einführung in die Verhaltensmodellierung mit Modelica und VHDL-AMS; Simulationsgestützte Optimierung: Simulation und Optimierung eines Kraftsensors. Die webbasierte Arbeit eröffnet faszinierende Möglichkeiten der Wissensvermittlung unterstützt durch interaktive Simulation, Visualisierung komplizierter Abläufe sowie die Nutzung moderner CAD-Tools, die in der Regel sonst nur in großen Firmen und besonders gut ausgestatteten Lehr- und Forschungseinrichtungen vorhanden sind. Bild 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Lernbaustein, in dem neben der Wissensvermittlung durch Texte, Bil- Bild 1: Webbasierte Simulation einer elektronischen Schaltung mit chaotischem Verhalten im Rahmen einer E-Learning-Applikation.

2 der und Animationen auch direkt auf Entwurfswerkzeuge zugegriffen werden kann. 2 Didaktischer Ansatz Die didaktischen Modelle werden in der Regel an die zu vermittelnden Inhalte angepasst. Bei den hier vorgestellten Anwendung kommen vor allem die didaktischen Modelle Lernpfad Behaviorismus und Lernarrangement Kognitivismus zum Einsatz, um den unterschiedlichen Wissensvermittlungen (z.b. für Grundlagen, Anwendungen, Übungsbeispiele) Rechnung zu tragen. Die Realisierung einer systematischen und intuitiven Herangehensweise entspricht dem Entwurfsablauf. In manchen Fällen werden FuE-Inhalte mit den zu vermittelnden Lerninhalten gleichgesetzt und die Lernziele sind dann die Vermittlung sehr speziellen Wissens und die Befähigung zu dessen Anwendung. Hier spielen die Durchführung von Entwurfsschritten, z.b. Simulationen und Optimierungen überschaubarer Entwurfsbeispiele, eine wichtige Rolle. Moderne Entwurfswerkzeuge erfordern aufgrund ihrer Komplexität teilweise erheblichen Einarbeitungsaufwand. Durch Integration der Beispiele in die Webseiten mit den Kursinhalten ist es möglich, sich auf den wesentlichen Inhalt des Beispiels zu konzentrieren, ohne dass der Anwender mit Details der Werkzeugnutzung und -konfiguration überfordert wird. Eingabe von Parametern und Ausgabe von Simulationskurven erfolgen mittels Applets innerhalb der Webseite. Auch das Erlernen von Hardware- bzw. Modellbeschreibungssprachen wie VHDL-AMS und Modelica erfolgt im Rahmen von Kursaufgaben durch Eingabe von Quelltext in ein Textfeld und Simulation des Modells mittels eines Simulators im Hintergrund. Der Nutzer muss sich somit nicht in die Bedienung eines bestimmten Simulators einarbeiten. Durch die Nutzung von Webtechnologien kann der E-Learning-Kurs außerdem unabhängig von einer am Clientrechner vorhandenen Toolinstallation ausgeführt werden. 3 Technische Umsetzung Die meisten heute verfügbaren webbasierten Kurssysteme versuchen, durch eine multimediale Aufbereitung die Lerninhalte anschaulich und intuitiv erfassbar zu vermitteln. Grafiken, Animationen, kleine Film- oder Tonsequenzen helfen dem Lerner insbesondere beim Studium komplexer Wissensgebiete. Dennoch ersetzen solche Web-based Trainings (WBTs) nicht das Sammeln eigener Erfahrungen. Diese kann der Lerner in der Regel nur im Rahmen von Praktika oder Übungen, die meist konventionell als Präsenzveranstaltung durchgeführt werden, erwerben. Die am Fraunhofer IIS entwickelten Online-Simulationen versuchen nun, eine Brücke zu schlagen zwischen der theoretischen Wissensvermittlung und dem Erwerb erster praktischer Erfahrungen. Dazu werden interaktiv bedienbare Simulationen direkt in die online verfügbaren WBTs integriert. Der Lerner erhält so die Möglichkeit, eigene Experimente durchzuführen und dabei unmittelbar das erworbene Wissen zu überprüfen. Clientseite (Lerner) HTML-Seite (WBT) Serverseite (E-Learning-Portal) Web-Server mit Java-Servlet-Engine (Apache/TOMCAT) Java-Applet HTTPD Servlet-Engine HTTP Dymola-Servlet Spice-Servlet Saber-Servlet Web-Browser des Lerners HTML-Seiten, Bilder, Animationen (WBT) Simulatoren Bild 2: Technische Realisierung webbasierter E-Learning-Kurse.

3 Da praxisrelevante Experimente häufig leistungsfähige Programme (z.b. Simulatoren, Compiler) voraussetzen, basiert der am Fraunhofer IIS realisierte Ansatz auf einer Remote-Nutzung von Programmen. Das bedeutet, dass ein für ein Experiment erforderlicher Simulator auf den Servern des Lernportals installiert und auch nur dort aktiv ist. Der Lerner kann jedoch über das WBT die Dienste dieses Simulators vor Ort nutzen und Simulationsexperimente in eigener Regie durchführen. Wie diese Online-Simulationen im Rahmen von E- Learning-Systemen im Detail funktionieren und welche Vorteile sich aus der gefundenen Lösung ergeben, soll im Folgenden erläutert werden. 3.1 Simulieren über das Internet Für die WBT-Autoren ist es praktisch nicht möglich und auch nicht sinnvoll, für jedes Online-Experiment eine neue Simulation zu programmieren. Hier muss auf die vielen verfügbaren leistungsfähigen Programmsysteme zurückgegriffen werden. So liegt es nahe, beispielsweise für die Simulation einer elektronischen Schaltung Simulatoren wie Saber oder Spice zu verwenden und für die Optimierung eines Mikrosystems die passende Matlab-Toolbox. Entscheidend ist hierbei, dass dem Lerner eine Experimentierumgebung angeboten wird, bei der er die speziellen Werkzeuge weder kennen noch direkt bedienen können muss. Der Lerner nimmt seine Interaktionen ausschließlich über eine angepasste, einfach bedienbare grafische Schnittstelle des WBTs vor, während die für die Experimente erforderlichen Programme für den Lerner transparent im Hintergrund auf den Servern des Lernportals arbeiten. Auf diese Weise werden Probleme hinsichtlich Performance, Lizensierung und Wartung elegant gelöst. Bild 2 veranschaulicht das Zusammenspiel zwischen dem Browser des Lerners (Clientseite) und den auf den Lernportalrechnern laufenden Prozessen (Serverseite). Während auf der Clientseite ein üblicher Browser mit Java-Unterstützung genügt, muss auf der Serverseite ein Webserver mit Java-Servlet-Unterstützung den Aufruf und die Steuerung der angebundenen Programme übernehmen. Am Fraunhofer IIS wurde hierfür eine Java-basierte Integrationssoftware entwickelt. Diese gestattet es auf einfache Weise, native Programme (Simulatoren etc.) in ein Lernportal zu integrieren und damit für die Internet-basierte Remote-Nutzung im Rahmen von WBTs zur Verfügung zu stellen. Die Integrationssoftware kommt derzeit unter Windows, Solaris und Linux zum Einsatz. Unter anderem sind die Simulatoren Saber, Spice, Dymola, ADvance MS und ANSYS sowie diverse Optimierungsprogramme und Entwurfswerkzeuge integriert. Gegenwärtig werden erste WBTs erstellt, die die Möglichkeiten und die Vorteile von Online-Simulationen im E-Learning-Bereich anschaulich demonstrieren [6], [7]. 4 Beispiele Die folgenden drei Beispiele sollen das Prinzip simulationsorientierter E-Learning-Kurse in verschiedenen Szenarien illustrieren. Während im ersten Beispiel der Einsatz webbasierter Simulationen im Rahmen eines kompletten Kurses zum Entwurf von HF-Systemen kurz vorgestellt wird, veranschaulichen die Abschnitte 4.2 und 4.3 die prinzipiellen Möglichkeiten anhand prototypisch realisierter Demobeispiele. 4.1 Modellierung und Simulation von Hochfrequenzsystemen Ziel des E-Learning-Kurses Modellierung und Simulation für den Entwurf von HF-Systemen ist die Vermittlung von HF-Systemwissen sowie das Erlernen von Modellierungsprinzipien und Simulationskonzepten für HF-Schaltungen (Bild 3). Als wichtiger Bestandteil wurden interaktive Beispiele mit Ankopplung an Simulationswerkzeuge erstellt. 3.2 Funktionsweise Bild 3: Im E-Learning-Kurs Modellierung und Simulation für den Entwurf von HF-Systemen sind ergänzend zum Theorieteil interaktiv bedienbare Simulationsexperimente integriert, die dem Lernenden ermöglichen, das erworbende Wissen am praktischen Beispiel unmittelbar anzuwenden.

4 4.2 Modellierungsmethodik und Modellierungssprachen Entscheidend für einen erfolgreichen Entwurfsprozess sind Kenntnisse zu den Beschreibungsmitteln. Sinnvoll ist das Erlernen von Modellierungssprachen wie Modelica oder VHDL-AMS im Kontext konkreter Simulatoren und anhand praxisrelevanter Beispielmodelle (Bild 4). Am Fraunhofer IIS wurden dazu client- und serverseitige Kompenten entwickelt, mit denen simulationsgestützte E-Learning-Kurse aufgebaut werden können [4]. Bild 4: Für das Erlernen von Modellierungssprachen wie Modelica oder VHDL-AMS können in Textfenstern einfache Modelle formuliert werden. Simulatoren wie Dymola, MOSILAB oder ADvance MS übernehmen serverseitig die Simulation und schicken die Ergebnisse zurück zum Lernenden. Das Trainingsmaterial besteht aus drei Hauptsäulen: Zunächst werden Modellierungs- und Simulationstechniken mit dem Schwerpunkt Hochfrequenzsysteme vorgestellt. Dabei wird die Modellierung als ein integraler Bestandteil des Entwurfsablaufs für Mixed-Signal-Schaltungen vermittelt. Insbesondere die Simulation im äquivalenten Basisband spielt eine wichtige Rolle ebenso wie spezielle Analysearten, wie Periodic Steady State und Harmonic Balance Analyse. Zur Implementierung von Modellen mittels Verhaltensbeschreibungssprache wird im zweiten Schwerpunkt eine Einführung in die Sprache VHDL-AMS gegeben. Diese Erweiterung des digitalen VHDL um analoge und Mixed-Signal-Beschreibungen ist standardisiert und eignet sich gerade zur Modellierung komplexer HF- Systeme von der Transistorschaltung über das digitale Basisband bis hin zum analogen Frontend. Eine Bibliothek typischer HF-Blöcke in VHDL-AMS wird im Kurs präsentiert und kann zum großen Teil mit Hilfe der vorbereiteten Testbenches sofort genutzt werden. Im abschließenden dritten Teil werden die erlernten Kenntnisse verbunden, indem ein Wireless LAN Transceiver als komplexes HF-System in VHDL-AMS modelliert und analysiert wird [2], [3], [8], [9], [10]. Die Erstellung des Kursmaterials erfolgte im Rahmen des von der EU geförderten IST-Projektes LIMA- Learning in Microelectronic Applications. Der Kurs wurde vom Industriepartner Nokia firmenintern erfolgreich eingesetzt. Dabei stellt die Aufbereitung des Kursmaterials in Form eines E-Learning-Kurses keinesfalls eine Konkurrenz sondern eine Ergänzung zum klassischen Lehrbuch dar [5]. 4.3 Modellierung, Simulation und Optimierung eines Kraftsensors Zur Vermittlung von Wissen, das für den Entwurf nichtelektrischer Systeme benötigt wird, wurde die Simulation und Optimierung eines Sensorsystems ein Kraftmesssystem prototypisch als E-Learning-Beispiel mit interaktivem Simulationsexperiment realisiert. Kraftmesssysteme werden auf Basis unterschiedlichster Wirkprinzipien realisiert. Weit verbreitet sind Systeme, die aus einem Verformungskörper bestehen, in dem Dehnmessstreifen im Bereich signifikanter Deformationen angebracht sind. Das System besteht aus einem rotationssymmetrischen Verformungskörper, auf den im Bereich des oberen Zapfens die zu messende Kraft einwirkt. Zwischen dem äusseren Ring und dem Zapfen befindet sich der Deformationsbereich, an dessen Unterseite vier Dehnmessstreifen angebracht sind. Diese sind zu einer WHEATSTONEschen Brücke Bild 5: Über ein grafisches Front-End kann der Lernende die Geometrieparameter des Kraftsensors ändern und die zugehörige Verformungscharakteristik berechnen. Die Simulation erfolgt serverseitig mit Hilfe des FEM-Simulators ANSYS.

5 verschaltet. Das dargestellte System wird zur Überlasterkennung bei Hebezeugen eingesetzt. Der Lernende kann nun selbständig interaktiv die Sensorgeometrie verändern und die jeweilige Deformation mit Hilfe einer ANSYS-FEM-Simulation berechnen (Bild 5). Bei einer nachfolgende Optimierung kann schließlich die günstigste Geometrie automatisch ermittelt werden. Der Lernende kann hierbei die Wirkungsweise verschiedener Optimierungsalgorithmen studieren [1]. 5 Zusammenfassung und Ausblick Das didaktische Konzept und die technischen Grundlagen webbasierter, simulationsorientierter E-Learning- Kurse wurden erläutert und an drei ausgewählten Beispielen illustriert. Insbesondere die Möglichkeit, direkt aus dem Kurs heraus interaktiv auf Entwurfswerkzeuge zugreifen zu können und somit erworbenes theoretisches Wissen praktisch anwenden zu können, verspricht im E-Learningbereich viele Einsatzfelder. Entscheidend bei der Remote-Nutzung von Werkzeugen wie Simulatoren ist, dass sich der Lernende nicht mit den toolspezifischen Details der Bedienung auseinandersetzen muss, sondern die Funktion dieser Werkzeuge über grafische, an den jeweiligen E-Learning-Kurs angepasste Schnittstellen nutzen kann. Damit ist es leichter, sich auf wesentliche Lernziele zu konzentrieren. Probleme ergeben sich gegenwärtig bei der noch nicht ausreichenden Internet-Tauglichkeit vieler CAD- Werkzeuge. Aufwändig ist auch die Ausarbeitung der Lernpakete inklusive der interaktiven Experimente. Hier helfen künftig sicher Technologien wie AJAX oder angepasste Front-End-Bibliotheken [4], Kursmaterial effizienter zu erstellen und zu aktualisieren. Die Wissensprodukte werden in Zukunft nicht nur Kurse sein, sondern eine mehr praxisgerechte Mischung von Information, Beratung und Training enthalten. Literatur [1] DemoCenter, Fraunhofer IIS, Außenstelle EAS Dresden: minpro/ [2] Diener, K.-H.; Elst, G.; John, W.; Krahn; L.; Ostermann, T.; Sauer, A.; Schwarz, P.: e-training for Critical Microelectronic Disciplines over the Fraunhofer Knowledge Network (FKN), Workshop ICL 2002, Villach, Austria, September 25-27, 2002 [3] Diener, K.-H.; Elst, G.; Schwarz, P.; Schneider, P.; Jancke, R.; Fischer, W.-J.: Internet-based Professional Training in Electronics and Microsystem Technology. Workshop "Interactive Computer aided Learning" ICL 2003, Villach, Austria, September 24-26, 2003 [4] Farin, K.: Konzeption und prototypische Implementierung von generischen GUI-Komponenten für Web-basierte Simulationen. Diplomarbeit, Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden, Mai 2006 [5] Frevert, R.; Haase, J.; Jancke, R.; Knöchel, U.; Schwarz, P.; Kakerow, R.; Darianian, M.: Modeling and Simulation for RF System Design. Springer-Verlag, Dordrecht, Okt [6] MediaCenter, Fraunhofer IIS, Außenstelle EAS Dresden: [7] MILEON: [8] Ostermann, T.; Krahn, L.; Jancke, R.; et.al: elearning Platform with Microelectronic Contents. The IASTED International Conference on WEB-BASED EDUCATION - WBE 2004, Innsbruck, Austria, February 16-18, 2004 [9] Ostermann, T.; Krahn, L.; Lackner, C.; Koessl, R.; Hagelauer, R.; Scholz, N.; Grote, M.; Mammen, H.-T.; John, W.; Schwarz, P.; Jancke, R.; Knoechel, U.; Sauer, A.; Elst, G.: Advanced Microelectronics Education for the Information and Communication Technology. MIXDES Mixed Design of Integrated Circuits and Systems, Lódz, Poland, June 26-28, 2003 [10] Ostermann, T.; Lackner, C.; Koessl, R.; Hagelauer, R.; Beer, K.; Krahn, L.; Mammen, H.-T.; John, W.; Sauer, A.; Schwarz, P.; Jancke, R.; Elst, G.; Pistauer, M.: LIMA: The New e-learning Platform in Microelectronic Applications. MSE Intern. Conf. on Microelectronic Systems Education, Anaheim, CA, USA, June 1-2, 2003 [11] Sauer, A.; Elst, G.: The Fraunhofer Knowledge Network (FKN) for Training in Critical Design Disciplines. Proc. Design, Automation and Test in Europe (DATE) 2002, Paris, März 2002 [12] Sauer, A.; Elst, G.; John, W.: The Fraunhofer Knowledge Network (FKN) for Training in Microelectronics Applications. Proc. e-2001, Venedig, Januar 2001

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