Werkzeuge und Methoden zur Entwicklung virtueller Labore

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1 Marco Schlattmann, Anja Hasler, Ralf Kuczewski Werkzeuge und Methoden zur Entwicklung virtueller Labore Einleitung Gentechnische Praktika sind ein wesentlicher Baustein im Studium der Biologie, Biochemie, Bioinformatik, Chemie und in naher Zukunft auch in der medizinischen Ausbildung. Der hohe Bedarf an Ressourcen stellt dabei große Ansprüche an Lehrende und Lernende. Die einen müssen für große Zahlen von Studierenden akzeptable Arbeitsumgebungen schaffen, die anderen müssen oft über längere, zusammenhängende Zeiträume im Labor präsent sein. Im Oldenburger Informatik-Institut OFFIS wird deshalb schon seit mehreren Jahren die verstärkte Nutzung von IuK-Technologien zur Ausbildung in den Biotechnologien erforscht. Ausgangspunkt der Forschung war das dreijährige BMBF-Projekt "Multimediales Gentechnisches Praktikum" 1 (kurz GenLab ), das im vergangenen Jahr erfolgreich abgeschlossen wurde. In Kooperation mit Gentechnologen des Instituts für Mikrobiologie der Universität Düsseldorf und Spektrum Akademischer Verlag wurde ein virtuelles Experimentalpraktikum entwickelt, das die Grundlagen des praktischen Arbeitens in der Gentechnologie vermittelt. Die Projektergebnisse bieten zahlreiche Ansatzpunkte für weitere Forschungsarbeiten. So ist die Entwicklung eines virtuellen Labors ausgesprochen aufwändig und enorm kostspielig. Im DFG-Projekt "VirtLab" 2 werden deshalb seit Ende 2000 softwaretechnische Methoden und Werkzeuge für eine effizientere Entwicklung erforscht. Die Erstellung virtueller Labore auch für andere Bereiche soll standardisiert und stärker automatisiert werden. Dieser Beitrag zeigt zunächst am Beispiel des virtuellen Gen-Labors, wie Studenten sich mit interaktiven Experimenten gezielter auf die praktische Laborarbeit vorbereiten können. Die Probleme bei der Entwicklung solcher Anwendungen werden diskutiert und spezielle Methoden und Werkzeuge (Vorgehensmodell, Framework, interaktive Tools) vorgestellt, die die Entwicklung virtueller Labore und Praktika quantitativ und qualitativ verbessern. 1 2 Das Projekt GenLab wurde von im Rahmen des BMBF-Fördermaßnahme Weiterentwicklung des wissenschaftlichen und technischen Buches zur multimedialen Wissensrepräsentation unter dem Förderkennzeichen 08 C gefördert. Das Projekt VirtLab wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Schwerpunktprogramm V3D2 (Verteilte Verarbeitung und Vermittlung digitaler Dokumente) gefördert.

2 Das GenLab-System Gentechnische Versuche erfordern viel Betreuung und erhebliche Ressourcen, sowohl an Reagenzien als auch an Geräten und Laborplätzen. Ein Praktikum in einer virtuellen, multimedialen Rechnerumgebung erlaubt es Studierenden demgegenüber, Erfahrungen im Umgang mit Geräten und Reagenzien zu gewinnen und den Ablauf der Versuche zu erlernen, ohne materielle Ressourcen zu verbrauchen. Die Durchführung realer Praktika kann damit effizienter gestaltet, teuren Fehlversuchen kann vorgebeugt werden. Kernpunkt des "Multimedialen Gentechnischen Praktikums" (GenLab) ist dabei die möglichst realitätsnahe Repräsentation der Laborumgebung und der Arbeitsweise. Nur so können Studierende die Praxis im Umgang mit Geräten und Reagenzien bereits am Rechner einüben und gleichzeitig ein tiefes Verständnis für die gentechnischen Abläufe entwickeln. Das GenLab-System besteht strukturell aus zwei Teilen, die inhaltlich miteinander verbunden sind: dem virtuellen Seminarraum und dem virtuellen Gen-Labor. Nach dem Start betritt ein Nutzer zunächst den Seminarraum. Hier befindet sich u.a. ein Computerarbeitsplatz, eine Leinwand und eine Bibliothek. Mit dem virtuellen Computer lassen sich Experimentergebnisse auswerten. Auf der Leinwand können zeitabhängige Medien präsentiert werden: Animationen die die Grundlagen der Gentechnologie veranschaulichen oder interaktive Lerneinheiten. In der Bibliothek befinden sich vier virtuelle Aktenordner. Die Ordner enthalten textuell-graphische Informationen zu chemischen Substanzen, Laborzubehör, Laborgeräten und den Grundlagen der Gentechnologie (Abb.1). Abb. 1: Elektronischer Aktenordner mit Informationen zu Arbeitsgeräten im Labor

3 Kernstück der Anwendung ist aber das eigentliche virtuelle Labor, das über den Seminarraum betreten werden kann. Hierbei handelt es sich um die virtuelle Umsetzung eines realen Gen-Labors. Das Labor inklusive der benötigten Geräte und Chemikalien ist im Rechner modelliert und wird grafisch auf dem Bildschirm präsentiert (Abb. 2). Benutzern wird die Möglichkeit gegeben, per Maussteuerung gentechnische Experimente analog zu den Abläufen im realen Labor durchzuführen. Nutzer können sich z.b. im Labor bewegen, Geräte bedienen und Chemikalien pipettieren. Abb. 2: Eine Arbeitsfläche im virtuellen Gen-Labor Dabei kommen die Vorteile gegenüber realen Praktika in Form einer ständigen Fehlerüberwachung, Steuerungs- und Korrekturmöglichkeiten sowie einer engen Verknüpfung zur Informationskomponente zum Tragen. So kann die richtige Bedienung der Geräte z.b. zuvor in einer interaktiven Bedienungsanleitung Schritt für Schritt gelernt werden. Und um die in Aktenordnern im Seminarraum abgelegten Informationen zu Geräten und Zubehör zu erreichen, genügt ein Klick mit der rechten Maustaste auf einen Laborgegenstand. Damit der Nutzer das angestrebte Versuchsergebnis erzielen kann, können bei Bedarf weitere Ratschläge und Hinweise vom System eingeholt werden: Schwierige Arbeitsschritte können z.b. animiert vorgeführt werden. Ist der Nutzer selbst aktiv, so informiert die Fehlerüberwachung über den Stand des Experiments und verhindert grobe Verstöße. Technisches Konzept GenLab wurde auf PCs unter Windows NT bzw. Windows 2000 entwickelt. Von zentraler Bedeutung bei der Implementierung war das verwendete Autorensystem Macromedia Director. Director, das derzeit verbreitetste Autorensystem, ist aufgrund seines zeitachsen-basierten Ansatzes in Kombination mit der ob-

4 jektorientierten Programmiersprache Lingo hervorragend für die Erstellung hochgradig interaktiver dynamischer multimedialer Anwendungen geeignet. Zur Produktion bzw. Bearbeitung der Medienobjekte für die virtuelle 3D-Welt wurden insbesondere die Produkte Adobe Photoshop und Maxon Cinema 4D eingesetzt. Um umfangreiches, hochwertiges und schnell zugängliches Medienmaterial (Fotos, Quicktime-VR Objekte, Animationen) in GenLab integrieren zu können, wurde das System in erster Linie als CD-ROM-Anwendung entworfen. Macromedia Director unterstützt mit Hilfe der Shockwave-Technologie jedoch auch die Integration von Director-Anwendungen in WWW-Dokumente. Im Hinblick auf eine optionale Online-Nutzung der GenLab-Inhalte die insbesondere durch die Anbindung der Universitäten an leistungsfähige Breitbandnetze auch für Multimedia-Inhalte möglich ist - wurde dieser Aspekt bei der Konzeption und Implementierung des Systems bereits berücksichtigt. So sind die enthaltenen Lerneinheiten (Experimente, Animationen, interaktive Bedienungsanleitungen,...) modular aufgebaut, einzeln lauffähig und Online distributierbar. Bei der technischen Konzeption wurde zudem berücksichtigt, dass an den Universitäten keine Hochleistungs-Multimedia-PCs zur Visualisierung virtueller Welten für die Studenten zur Verfügung stehen. Mit Hilfe vorgerenderter 3D- Bilder und dem Einsatz von Datenreduktionstechniken ist das System deshalb auch auf Standardrechnern bereits uneingeschränkt einsatzfähig. Das Programm kann weiterhin ohne Installation direkt von der CD gestartet werden und erlaubt so eine unproblematische Bereitstellung der Software. Werkzeuge und Methoden Interaktivität, Freiheitsgrade und eine fotorealistische Darstellung der Umgebung sind wesentliche Eigenschaften des virtuellen Gen-Labors. Die Entwicklung einer solchen multimedialen Anwendung ist aufwändig und enorm kostspielig. Die Wiederverwendbarkeit bestehender Komponenten, die leichte Erweiterbarkeit um neue Lerninhalte sowie die Übertragbarkeit des gewählten Lösungsansatzes auf andere Naturwissenschaften aber auch auf andere Programmiersprachen oder Distributionsmedien wie das Internet waren deshalb wichtige Ziele beim softwaretechnischen Entwurf des virtuellen Gen-Labors. Es wurden spezielle Entwurfs- und Implementierungshilfsmittel entwickelt und eingesetzt, die den Entwicklungsaufwand reduzieren:

5 Framework für virtuelle Labore Die Realisierung eines hochgradig interaktiven virtuellen Labors ist nicht mit Hilfe von Director-Zeitleiste und Skriptprogrammierung sondern nur unter Einsatz eines objektorientierten Programmieransatzes zu bewältigen. In objektorientiertem Lingo wurde deshalb ein Framework entwickelt, das auf einer abstrakten Ebene den Implementierungsrahmen eines virtuellen Labors vorgibt und so z.b. die Erstellung und den Austausch von Laborgeräten und die Einbindung neuer Experimente erleichtert (Abb. 3). Abb. 3: Schichtenmodell des Frameworks Das Framework beruht auf dem Model-View-Controller-Konzept (MVC, vgl. [Gamma u. a. 1995]). Kernpunkt dieses Konzepts ist die Teilung der Anwendung in Eingabe (Controller), Verarbeitung (Model) und Ausgabe (View). Der Controller nimmt Benutzereingaben an, das Objekt Model speichert und bearbeitet Daten unabhängig von ihrer Darstellung. Der View ist für die grafische Ausgabe des Modelinhalts auf dem Bildschirm zuständig. Durch die Entkopplung der drei Komponenten erhöht das MVC-Konzept die Flexibilität und Wiederverwendbarkeit der Software. Das Framework ist nicht auf die Realisierung gentechnischer Labore beschränkt sondern stellt ein Metamodell für alle Arten naturwissenschaftlich-technischer Labore da und erlaubt somit auch die Entwicklung neuer Labortypen etwa für die Physik oder Chemie. [Elfreich 1999] konnte nachweisen, dass sich der gewählte Ansatz auch auf andere Programmiersprachen übertragen lässt. Folgende Aspekte sind im Genlab-Framework berücksichtigt: Simulation molekularbiologischer Prozesse Animierte Vorführung vs. Freie Versuchsdurchführung Basis GUI-Elemente Transport von Objekten Übernahme von Ergebnissen aus Teilversuchen Drag & Drop Konfigurieren von Interaktionsbeziehungen

6 Z-Order Kollisionserkennung Schwerkraft, Beleuchtung Containment-Beziehungen Aus Gründen der Performance verwendet der aktuelle GenLab-Prototyp ausschließlich 2D-Sprites und vorgerenderte Bitmaps, um einen dreidimensionalen Eindruck der virtuellen Laborumgebung zu erzielen. Eine prototypischen Erweiterung des Genlab-Frameworks unter Verwendung von in Echtzeit gerenderten 3D-Modellen wurde jedoch bereits entwickelt [Heuten 2001]. Bei der 3D- Darstellung werden im Gegensatz zu der 2D-Darstellung erheblich höhere Anforderungen an die Ressourcen des verwendeten Computer-Systems gestellt. Dafür ist mit der 3D-Darstellung eine höhere Flexibilität in der Darstellung der Laborgegenstände möglich. Autorenwerkzeuge und Templates für den virtuellen Seminarraum Die Erstellung des virtuellen Seminarraums ließ sich mit deutlich weniger Programmieraufwand bewältigen. Hier ging es primär darum, Animationen zu erstellen und die verschiedene Medien wie Bild, Ton und Text zu einem multimedialen Beziehungsnetzwerk zusammenzufügen; ein Prozess der bereits durch die Entwicklungshilfen und Konzepte von Multimedia Autorensysteme stärker unterstützt wird. Dennoch wurde auch hier nach Möglichkeiten gesucht, diese Vorgänge methodisch weiter zu vereinfachen und zu beschleunigen. Bei der Verarbeitung von Text wurde insbesondere wurde auf den Einsatz und die Verarbeitung der Standardformate HTML und XML gesetzt. Hier wurde mit der HTML-Toolbox eine Erweiterung für Macromedia Director entwickelt, die u.a. Seitenumbruch und Layoutkontrolle, die Verwaltung von Hyperlinks sowie die Aufbereitung des Buchmaterials für Drucker und CD-ROM automatisiert und so die Erstellung und Integration elektronischer Bücher in den virtuellen Seminarraum erheblich vereinfacht. Weiterhin wurde zur Erstellung neuer Animationen für die virtuelle Leinwand ein Template entwickelt. Das Template enthält bereits alle Grafiken und Skripte, die für die Darstellung des Projektionsflächen-Hintergrundes und die Steuerung der Animation mittels der virtuellen Fernbedienung nötig sind. Die eigentlichen Inhalte der Animation können leicht in das bestehende Template eingefügt werden. Dabei können vorgefertigte Grafiken zur Darstellung molekularbiologischer Prozesse verwendet werden. Ziel dieses Ansatzes war es, Biologen mit Grundkenntnissen der Multimedia-Entwicklung stärker in den Erstellungsprozess mit einzubeziehen.

7 Vorgehensmodell Ein Hauptproblem bei der Entwicklung virtueller Labore ist die Heterogenität des Entwicklungsteams: Informatiker sind für den technischen Entwurf und die Implementierung zuständig. Fachexperten (Chemiker, Physiker, Gentechniker,...) bringen ihr Wissen über die Inhalte, die Laborausstattung und -benutzung sowie die teilweise sehr komplexen Experimentabläufe ein. Weiterhin sind Didaktiker verantwortlich für eine qualitativ hochwertige didaktische Aufbereitung und Nutzungsweise des Inhalts. Besondere Probleme, die hier berücksichtigt werden müssen, sind die Freiheiten der späteren Nutzer beim virtuellen Experimentieren: Inwieweit und wann soll das System Hilfestellung geben? Sollen die Nutzer Fehler machen dürfen und wie und wann reagiert das System darauf? Und Medien-Spezialisten schließlich sorgen für eine ansprechende Gestaltung. Insbesondere sind 3D- Modellierungsspezialisten für die Abbildung realer Labore in die virtuelle Realität erforderlich. Animationsspezialisten kommt die Aufgabe zu, naturwissenschaftliche Prinzipien und Vorgänge zu visualisieren und damit die Brücke zwischen Praxis und Theorie zu schlagen. Im Rahmen des GenLab-Projektes wurde die Erfahrung gemacht, dass Monate vergehen, ehe dieses interdisziplinäre Team eine gemeinsame Vorstellung vom Entwicklungsprozess und dem geplanten Produkt hat. Es fehlen Modelle, die definieren, wann welche Personen welche Aufgaben zu erledigen haben, und spezielle einheitliche Notationen, die die Ergebnisse der Aktivitäten in einer für alle Beteiligten verständlichen Form festhalten. In der ersten Teilphase des VirtLab-Projekts wird deshalb zunächst auf Grundlage des Rational Unified Process [Kruchten 2000] ein Vorgehensmodell zur Entwicklung virtueller Labore erarbeitet, das den speziellen Anforderungen der Entwicklung solcher Softwaresysteme gerecht wird. Das Vorgehensmodell erfüllt die folgende Anforderungen: Unterteilung des Entwicklungsprozesses in mehrere Phasen mit fest definierten Meilensteinen, Identifikation der durchzuführenden Aktivitäten und der zu erzielenden Ergebnissen (Dokumente, Software), Zuordnen von Rollen zu den einzelnen Aktivitäten, Bereitstellen von Anleitungen, Richtlinien und Methoden für die einzelnen Aktivitäten, Definition und Koordination von Workflows, Integration einer Notation zur Repräsentation von Ergebnissen, Bereitstellen von Guidelines, Templates, Handbüchern und Beispielen zur Anwendung des Vorgehensmodells.

8 Ausblick Mit unserem Ansatz, den Entwicklungsprozess für virtuelle Labore mit Werkzeugen und Methoden stärker zu unterstützen und so die Produktion innovativer Lernsoftware auch für sehr spezielle Zielgruppen für die Verlage wirtschaftlicher und attraktiver zu machen, stehen wir noch am Anfang. Auf der Programmierebene konnte der Entwicklungsprozess durch den Einsatz von Design- Patterns und einem objektorientiertes Framework bereits handhabbarer gemacht werden. Templates und Autorenhilfen erleichtern bereits die Integration von theoretischen Hintergrundwissen in die Anwendung. Auf dieser Grundlage müssen nun weitere visuelle Programmierumgebungen mit graphisch-interaktiven Tools geschaffen werden, die den Naturwissenschaftlern selbst auch die Anpassung, Erweiterung und Definition von Experimenten erlauben. So kann der Einsatz virtueller Praktika in anderen Naturwissenschaften schneller ermöglicht werden. Literatur [Elfreich 1999] Elfreich, Sigurd: Entwicklung eines Java-basierten objektorientierten Frameworks für virtuelle naturwissenschaftliche Experimente im Internet. Oldenburg: Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Fachbereich Informatik, Dezember Diplomarbeit. [Gamma u. a. 1995] Gamma, Erich ; Helm, Richard ; Johnson, Ralph ; Vlissides, John: Design Patterns : elements of reusable object-oriented software. Addison Wesley Longman, Inc., 1995 (Addison-Wesley professional computing series). [Heuten 2001] Heuten, Wilko: 3D Visualisierungskonzepte für virtuelle Labore. Oldenburg: Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Fachbereich Informatik, Februar Diplomarbeit [Kruchten 2000] Kruchten, Philippe: The Rational Unified Process : an introduction. 2nd printing. Addison Wesley, 2000 (Addison-Wesley Object Technology Series) Kontakt: Marco Schlattmann OFFIS e.v. Escherweg Oldenburg URL:

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